Магистральды ТОБЖ-нің техникалық сипаттамаларының есептері

1.2. Ақпарттық ағындардың  мультиплекаторлық әдістері

Ақпаратты беру жүйесінің өткізу қабілетін өсірудің бірнеше әдістері болады. Олардың көпшілігі байланыс желісі бойынша берілетін бір топтағы құрамдас ақпараттық ағындардың тығыздау әдісінің біріне жинақталады. Тығыздау әдісінің көпшілігі заманауи байланыс желілерінде кеңінен қолданылатындықтан, олардың әрқайсысына жеке тоқталамыз.

Уақытша мультиплекаторлау әдісі. Қазіргі уақытта ақпарттық ағындардың уақытша тығыздау әдісі (TDM — Time Division Multiplexing) кең тараған. Олар ақпарттарды сандық түрде жіберіп отырады. Жіберу үдерісі уақытша циклдар қатарында жетілдіріледі. Олардың әрқайсысы /N/ субциклында жетілдіріледі, мұндағы /N/ - тығыздау ағынының (немесе каналдың) мәні. Әр субцикл уақытша позицияда бөлінеді, яғни, сандық мультиплекаторлық ағындардың бірінен ақпарат бөлігі берілетін уақыттағы - уақытша интервалдар. Сонымен қатар, позицияның кейбір мәндері идентификационды синхроимпульстер  мен қызметтік байланыстың сандық ағыны  үшін  алшақтайды.

Уақытша тығыздау әдісі екі түрге бөлінеді – асинхронды немесе плезихронды, уақытша мультиплекаторлау (PDH, ATM) және синхронды уақытша мультиплекаторлау (SDH). Заманауи технологиялар 10 Гбит/с (STM-64) топтық сигналды беру жылдамдығын қамтамасыз етеді. Бірнеше жыл бұрын бұл электронды құрылғыларды мультиплекаторлаумен ғана шектелген. Бірақ, жаңа электронды технологиялардың дамуының арқасында (арсенида галлия, микровакуумдық  элементтер негізінде жартылай өткізгішті құрылымдар) 40 Гбит/с (STM-256) жылдамдыққа арналған электронды мультиплекатордың лабораториялық үлгілері пайда болды. Олар, олар өндірістік өнімдер үшін дайындалған [3].  Осы аймақтағы ғылыми зерттеу жіберу жылдамдығын одан әрі дамыту мақсатында жалғастырылуда.

Жиілікті орналастыру әдістері(FDM). Мультиплекаторлаудың жиілікті әдісінде (FDM — Frequency Division Multiplexing) әр ақпараттар ағыны жиілігіне /ƒ/ сәйкес физикалық каналдар бойынша беріледі. Физикалық канал қызметін оптикалық сәуле орындайтын болса – ақпараттық ағынның құрамдас бөлігінің мәні нөлге тең салмақты жиіліктің қатарынан құралған спектр, яғни, оптикалық салмақ топтық ақпараттық сигналдың қарқындылығы бойынша модульденеді. 

Әр кналдан шығатын жиілік /ƒ/_пн  ≥ 10/ƒ/_вчп шартына тең,  мұндағы: / ƒ/_пн  -тұрақты жиілік, , /ƒ/_вчп  —ақпараттық ағынның спектрінің жоғарғы жиілігі.  /Δƒ/_пн  арасындағы жиілікті интервал /Δƒ/_пн  ≥ /ƒ/_вчп шартына тең.

Қабылдау жағында оптикалық салмақ фотодетекторға түседі. Фотодетектордың электрлік топтық ағынында өткізудің орталық жиілігі бір салмақты жиілікке тең [3].

Компонентті ағын ретінде сандық сигнал да, аналогты сигнал да қызмет ете береді. Қазіргі уақытта жиілікті берілістің кабельдік жүйелерінде 47 - 860 МГц жиілік дипащонындағы көп каналды кабельді тетекөрсетілімдер қолданылып жүр.

Поляризациялау бойынша орналастыру (PDM). Сызықты поляризациясы бар оптикалық құрылысының көмегімен ақпараттар ағынын тығыздау поляризация бойынша тығыздау (PDM — Polarization Division Multiplexing) деп аталады. Сонымен қатар, поляризациялау аралығы әр жиілікте өзінің бұрышында орналасуы тиіс. Мультиплекациялау арнайы оптикалық призманың көмегімен анықталады, мысалы Рошон призмасы.

Поляризациялы мультиплекатор жаңару ортасында оптикалық анизотропия болмаған жағдайда ғана пайдаланылады, яғни, талшықтарда локальды бірыңғай емес және иілгіштік болмауы тиіс. Бұл тығыздау әдісін қолдануды шектеудің бірден-бір себебі. Көп жағдайларда ол оптикалық оқшаулағыштарда, сондай-ақ ұзартылған эллипс түріндегі поляризацияны көрсететін сәулеленуге арналған эрбиелі талшықтарды тарту құрылғылары ретінде пайдаланылатын оптикалық талшықты күшейткіштерде қолданылады [3].

Оптикалық қондырғыларды көп толқынды мультиплекациялау (WDM). ТОБЖ өткізу қабілетінің одан әрі өсу мәселесінің шешімі ОТ тарату үдерісінде оптикалық импульстердің уақытша (хроматикалық) дисперсиясын шектеу және электронды уақытша тығыздау кезінде технологиялық кедергілермен ғана шектелмейді, TDM көмегімен беру жылдамдығы өсіру жолымен де анықталады. Бұл STM-16 және STM-64 жаңару жүйелеріне арналған хроматикалық дисперсияның рұқсат етілген сәйкес мөлшерін қою арқылы анықталады: 10500 пс/нм және 1600 пс/нм және поляризацияланған модалық дисперсия — 40 пс және 10 пс. Жоғарыда көрсетілген мәлімет толқынды ұзындығы бойынша бөлу WDM (Wavelength Division Multiplexing) арқылы оптикалық мультиплекатордың көмегімен анықталады. Бұл әдістің нәтижесі   /λ/_m  толқын ұзындығымен өзінің оптикалық жиілігінде тасымалданатын ақпараттық сандық ағындардан тұрады және арнайы құрылғылардың көмегімен аймақтарға таратылатын оптикалық мультиплекаторлар (ОМ) – бір оптикалық ағындарда біріктіріледі /λ/_1 ../λ/_m, содан кейін оптикалық талшықтарға енгізіледі. Қабылдаушы жағында демультиплекатордың қайтару операциясы орындалады. WDM жүйесінің құрылымдық сызбасы 1.1- суретте көрсетілген.

WDM жүйесінің оптикалық параметрлері әр каналға арналған толқындардың ұзындықтары мен оптикалық жиілікте анықталатын ұсыныстармен реттеледі. Осы ұсыныстарға сәйкес жаңарудың көп толқынды жүйесі ОТ айқындығының үшінші терезесінде, яғни, толқынның ұзындығының 1530-1565 нм диапазонында жұмыс жасайды. Бұл үшін 100 ГГц интервалындағы 196,1-192,1 ТГц диапазонындағы және и 0,8 нм  интервалындағы 1528,77-1560,61 нм толқын ұзындығында оптикалық жиіліктің мәні реттелген оптикалық жиіліктің торламасы ретіндегі толқын ұзындығының стандарты белгіленген. Стандарт 41 толқын ұзындығынан тұрады, яғни, 41спекторлы каналға есептелген. Бірақ практикада жиіліктің торламасын құрайтын  39 каналдан тұрады, WDM жүйесінде қолданылатын оптикалық күшейткіштердің жиілікті сипаттамасының баурайында орналасатындықтан олардың шеткі екеуі қолданылмайды.

1.1-сурет. WDM беру жүйесінің  қарапайым құрылымдық сызбасы.

Соңғы уақытта 50 ГГц – 25 ГГц дейінгі спекторлы каналдар арасындағы интервал жиілігін төмендетудің айқын тенденциясы қондырылды. Бұл толқын ұзындығының (1530-1565 нм) диапазонындағы спекторлы каналдардың тығыз орналасуына әкеледі. Мұндай тығыздау DWDM деген атқа ие болды. Сонда DWDM берілетін каналдардың санын көбейту мақсатында шығарылған.

Қазіргі уақытта DWDM 32 каналға дейінгі байланыс жүйесімен жабдықталған. DWDM жүйесі активті және пассивті, кванттық және оптикалық элементтердің тұтас біріктірілуін қамтамасыз етеді. Мұндай жүйеге қалыпты жағдайда ±0,04 нм кем емес спектрлік жартылай өткізгішті лазерге жатады. Талшықты – оптикалық күшейткіштер күшейтудің қалыпты коэффициентіне, кіші тегіс емес коэффициентіне (< ± 0,5 дБ) және спектрлі диапазонына ие болуы тиіс.

2. ТОБЖ туралы  негізгі мәліметер

2.1. Талшықты –  оптикалық кабельдер

Талшықты оптикалық байланыс желісі (ТОБЖ) ақпарат 200 ТГц шамасындағы жоғары жиіліктегі электромагнитті толқындар арқылы беріледі, бұл, 1500 нм оптикалық спектрдің жақын тұрған инфрақызыл  диапазонына сәйкес. ТОБЖ-не ақпараттық сигналдарды жеткізетін толқындар ағыны өте аз шығын шығара отырып, үлкен арақашықтықтарға жарық сәулесін бере алатын қабілеті бар оптикалық талшықтар (ОТ). ОТ-дың шығыны кедергілер (затухание) арқылы анықталады. Ақпаратты беру жылдамдығы және арақашықтығы дисперсия және сөніп қалу әсерінен оптикалық сигналдардың бұрмалануы арқылы анықталады. Талшықты – оптикалық желі – бұл ТОБЖ-нің аралық түйіндерінің элементтерін байланыстыратын ақпаратты желі. Талшықты – оптикалық желілер технологиясы талшықты оптиканың сұрақтарынан басқа, электронды жіберу жабдықтарының, оның стандартизациясының , жіберу хаттамаларының, топология желісінің және желі құрылысының жалпы сұрақтарын қамтиды.

Қазіргі уақытта оптикалық талшықтар ақпарат беруге арналған жетілдірілген физикалық ортасы, ал белгілі бір арақашықтыққа ақпарттың үлкен ағынын беруге арналған болашағы мол орта болып саналады. Бұлай есептелетін себебі, нағыз оптикалық толқындар ағынының ерекшелігі – шектен тыс жоғарғы жиілікті (Гц) қамтитын оптикалық сигналдардың кең белестілігі. Бұл оптикалық байланыс желісі бойынша ақпартты қандай жылдамдық көлемінде болса да (бит/с (1Тбит/с)) беру мүмкіндігіне ие екендігін растайды. Басқаша айтқанда, бір талшық арқылы бір уақыт ішінде 10 миллион телефондық сөйлесулерді және миллион видеосигналдарды және т.б. алуға болады. Мәліметтерді алу жылдамдығы ақпараттарды жіберу есебінен бірден екі бағытта өсіруге болады, яғни, жарық толқындары бір талшықта бір-біне тәуелсіз тарала алады. 

Бүгінгі күнде оптикалық талшықтар бойынша жіберілген ақпараттардың тығыздығының шегі ОТ жарық сигналының әлсіреуі өте аз (басқа құрылғылармен салыстырғанда). ОТ ең жақсыларының кедергілері 1,55 мкм толқын ұзындығында 0,22 дБ/км тең, бұл сигналдарды өңделмеген күйінде байланыс желісін 100 км дейінгі ұзындықта құруға мүмкіндік береді.  Салыстыру үшін 1,55 мкм толқын ұзындығындағы ең жақсы Sumitomo талшығының кедергісі 0,154 дБ/км тең. Оптикалық лабороторияларда 2,5 мкм толқын ұзындығындағы 0,02 дБ/км ретінің теориялық шегімен оптикалық талшықтардың фторцирконат деп аталатын, бұрынғысынан да ашық түрлері өңделуде.  Лабораториялық зерттеулер мұндай талшықтардың негізінде 1 Гбит/с жіберу жылдамдығы кезінде 4600 км арқылы қылыпына келтіру телімдері бар байланыс желілерін жасап шығаруға болады:

- ОТ негізі мысқа қарағанда өте арзан, бірақ кең тараған материал кремний қос тотығынан тұратын кварцтан дайындалған;

- ОТ диаметрі 100 мкм шамасында, яғни, ықшам және жеңіл, кабельдік  техникада қолдануға қолайлы  және болашағы зор;

- ОТ диэлектрикті болғандықтан, байланыс жүйесінің құрылысы  кезінде буындардың (сегмент) гальваникалық  шешімі автоматты орындалды.

Оптикалық жүйеде олар бір – бірінен толықтай оқшауланған және осыған дейінгі электрлік кабельдерді қосу кезінде кездесетін әлеуеттік жерлендіру мен алып тастауға қатысты қиындықтар артта қалды. Ерекше берік пластикті қолдану арқылы кабельдік заводтарда өздігінен ілініп тұратын кабельдер дайындап шығарылды, олардың құрамында металл жоқ және электрлік қатынастарда қауіпсіз. Мұндай кабельдерді электрлік қабылдағыш желілердің діңгектерінде (мачта) бөлек және фазалық өткізгіштер құрылысына да қолдануға болады:

- ОТ   негізіндегі байланыс  жүйесі электромагнитті кедергілерге  төзімді, ал жарық ағынымен берілген  ақпараттар рұқсат етілмеген жүйелерден қорғалған. ТОБЖ –сін оны үзіп тасталмаса сөйлесу дауыстарын тыңдау мүмкін емес.  ОТ-ға әсер ететін барлық желі тұтас желінің мониторингісіне (үздіксіз бақылау) әдісімен тіркеледі; 

- ОТ маңызды қасиеті  – өмір сүру ұзақтығы. Талшықтардың өмір сүру уақыты, яғни, олардың өзінің  қасиетін сақтауы 25 жылдан асады, бұл ТОК бір рет орнатуға және қажеттілігінше өткізу қабілеттілігін күшейту үшін барынша тез әсер ететін қабылдағыштарды ауыстыруға болады.

Бірақ, талшықты оптикалық технологияның біршама кемшіліктері бар:

- байланыс желісінің құрылысы кезінде электрлік сигналды жарыққа, жарықты электрлік сигналға айналдыра алатын сенімділігі жоғары активті элементтер талап етіледі. Қабылдап – жіберуші жабдықтарымен ОТ қосу кезінде оптикалық аз шығын мен қосып-ажыратуға жоғарғы ресурстық қасиеті бар оптикалық коннекторлар (жалғастырғыштар) қолданылады.  Мұндай байланыс желілердің элементтерін дайындау шексіздігі микрон үлесінің қатарында болуы тиіс, яғни, сәулену толқынының ұзындығына сәйкес болуы керек. Сондықтан да, байланыс желісінің оптикалық құрылымдарының өндірісі өте қымбатқа шығады;

- тағы бір кемшілігі  – ОТ құрастыру кезінде қымбат  технологиялық жабдықтар талап  етіледі. Айтып отырғанымыздай, ОК  апаттық жағдайында қайта қалпына  келтіру мыс кабельдерге қарағанда шығыны өте көп.

ТОБЖ қолданудың артықшылығы жоғарыда аталған кемшіліктеріне қарамастан ақпарат берудің ең үздік құрылғысы болып саналады.

Талшықты – оптикалық кабельдер. ТОБЖ маңызды құрылысы болып талшықты - оптикалық кабельдер (ТОК) болып саналады. ТОК өндіру кезінде белгіленген параметрлері байланыс желісін пайдалану және оның өткізу қабілеттілігі болып саналады. Кабельдер пайдалану шарты бойынша төмендегідей топтарға бөлінеді:

• монтаждық;
• станциялық;
• аймақтық;
• магистральдық.

Кабельдердің алғашқы екі типі ғимараттар мен құрылғылардың ішкі төсемдері үшін арналған. Олар ықшамды, жеңіл және ережеге сәйкес құрылыстық ұзындығы онша үлкен емес.

Кабельдердің соңғы екі типі кабельдік коммуникацияның колодкаларында, топырақта, электрлі қабылдағыштардың тіректерінің қасында, су астында, теміржолдарда  қолданылады. Бұл кабельдердің сыртқы әсерден қорғану қасиеті жоғары және құрылыстық ұзындығы екі километрден көп.

Байланыс желісінің жоғарғы өткізгіш қабілетін қамтамасыз ету үшін әлсіреуі аз (с малым затуханием) бір модалы талшықтардың онша үлкен емес мәніне (8-ге дейін) ие ТОК өндіріледі, ал кабельдер буындық желілердің ара қашықтығына байланысты бір және көп модалы 144 талшыққа дейінгі тарату желісіне арналған. 

ТОК дайындау кезінде екі негізгі жұмыс түрлері орындалады:

- элементтерді еркін қозғалту конструкциясы;

- элементтер арасындағы байланыстың қатты конструкциясы.

Кабельдерді құрылысы бойынша иірілген нүктелі кабельдер, иірілген түйінді кабельдер; профильді өзекшелі кабельдер, сондай ақ ленталы кабельдер. ТОК таңдаулы әдістермен барлық жағдайды қанағаттандыратын көп сандық комбинациялы құрылысы болады.

Кабельдердің ерекше класына электрқабылдағыш ауа желілерінің ілмектерінде қолданылатын дауылдан қорғайтын трос (жерлендірілген өткізгіштерді ауыстыруға арналған болат трубаларга оптикалық талшықтар төселеді) жатады [4]. Мұндай кабельдер жоғарғы механикалық және электрлік жүктемелерді ұстап тұра алатындай қабілетімен, вибрацияға және найзағайға төзімділігі және жоғары вольтты желілердегі электростанциялар мен теміржол станцияларын басқару қасиеттерімен сипатталады.