Šķiedru optikas tehnoloģiju izmantošana sakaru tīklos līdz gala abonentam

Darba uzdevums

Darba mērķis ir iepazīties ar optiskās šķiedras tehnoloģiju izmantošanu iespējām sakaru tīklos līdz gala abonentam.
Darba uzdevums ir apskatīt darbības principus datu pārraidei pa optiskajām šķiedrām un optiskos tīklus līdz gala abonentam (FTTH), veikt jaudas budžetu aprēķinus dažādos optisko piekļuves tīklu veidos un struktūrās, analizēt iegūtos rezultātus, balstoties uz tehnoloģiskiem un ekonomiskiem apsvērumiem, lai noteiktu, kurš FTTH veids ir piemērotāks dažādos gadījumos.

Anotācija

Šajā bakalaura darbā apskatītas un iztirzātas problēmas, kas saistītas ar šķiedru optikas tehnoloģiju ieviešanu sakaru tīklos līdz gala abonentam. Lasītājam ir iespēja iepazīties ar informācijas pārraides pa optisko šķiedru principiem, optisko šķiedru tipiem, to atšķirībām un raksturojošajiem lielumiem. Tālāk darbā apskatīti šķiedru optikas tīklu tipi, tajos izmantotās tehnoloģijas un iespējamās tīklu struktūras. Aprēķinu daļā ir piemēri jaudas budžeta aprēķiniem dažādiem tīklu tipiem. Pēdējā bakalaura darba daļā ir izanalizēti aprēķinu rezultāti no tehnoloģiskā kā arī no ekonomiskā viedokļa.
Darbs 60 lapaspuses garš, tajā ir 26 zīmējumi un 16 tabulas.

1. Piekļuves tīkls kā daļa no publiskā telekomunikāciju tīkla

Kabeļu tipi un datu pārraides tehnoloģijas, kas tiek izmantotas telekomunikāciju tīklos, ir pastāvīgi attīstījušās visos tīkla līmeņos: pamata tīklos, reģionālajos tīklos un piekļuves tīklos. Tajā pašā laikā arī abonentu lokālajos tīklos izmantotās tehnoloģijas ir strauji attīstījušās. Telekomunikāciju pieaugošā loma cilvēku dzīvē vienmēr ir bijis dzinējspēks šai attīstībai, un nekas neliecina, ka nākotnē šī tendence samazināsies. Mūsdienās gandrīz visa datu pārraide ir digitāla un pārraides kapacitāte tiek mērīta bitos sekundē (bit/s). Tiek izgudrotas jaunas iekārtas un tehnoloģijas, un kilobiti (kbit) un megabiti (Mbit) vairs nav pietiekošas mērvienības. Mūsdienās Gbit/s un Tbit/s vairs nav reti sastopami ātrumi informācijas pārraidē. Pirms 30 gadiem telekomunikāciju tīklu kapacitāte tika izteikta vienlaicīgu telefona sarunu daudzumā. Viena attīstības ēra bija 60 MHz analogā koaksiālā kabeļa pārraides sistēma, kas pamata tīklā spēja vienlaicīgi pārraidīt 10800 telefona sarunas. Tajā pašā laikā attīstījās optisko šķiedru pārraides tehnoloģijas un drīz tās varēja izaicināt un pēc tam aizstāt koaksiālo kabeli. 20. gadsimta astoņdesmitajos gados optisko kabeļu izmantošana strauji kļuva populāra un tika ieviesta arī zemākos tīkla līmeņos, ne tikai pamata tīklā. Tas nozīmēja, ka optiskais kabelis sāka aizstāt vara kabeļu IKM sistēmas starp telefonu centrālēm. Nākošā fāze dabiski ir optiskā kabeļa ieviešana piekļuves tīklā [2., 3.lpp.].
Piekļuves tīkls ir definēts kā daļa no publiskā telekomunikāciju tīkla, kuram ir pieslēgts gala abonents. Cits nosaukums šai tīkla daļai ir abonentu tīkls. Piekļuves tīklā pārsvarā tiek izmantotas sekojošas tehnoloģijas (zīm. 1.1.):
• Analogā telefona līnija (POTS – Plain Old Telephone Service)
• ISDN (Integrated services Digital network)
2 x 64 kbit/s pamata piekļuve, balss un/vai dati
30 x 64 kbit/s primārā piekļuve
• XDSL (DSL – digital subscriber line)
ADSL,ADSL2, ADSL2+ (ADSL – asymetric DSL)
SHDSL (Symmetric High-speed DSL)
VDSL, (Very high data rate DSL)
• FTTC, FTTB, FTTP, FTTH (Fiber To The Curb/Building/Premises/Home)
• Kabeļtelevīzija
HFC (Hybrid Fiber Coaxial)
• Bezvadu
WLAN (Wireless Local Area Network), WiMax [2., 3.lpp.]

Tomēr optiskās šķiedras tehnoloģiju ieviešana piekļuves tīklos notiek daudz lēnāk nekā tas bija pamata un reģionālajos tīklos 20. gadsimta astoņdesmitajos un deviņdesmitajos gados. Viens no izskaidrojumiem ir tāds, ka telekomunikāciju tīklu struktūra ir līdzīga cilvēka asinsvadiem – piekļuves tīkls ir mazākie asinsvadi, bet pamata tīkls, artērijas. Līdz ar to piekļuves tīkla būvniecības izmaksas uz vienu abonentu ir daudz lielākas nekā pamata vai reģionālajam tīklam. No otras puses xDSL tehnoloģijas, kas sāka attīstīties deviņdesmitajos gados un joprojām attīstās, arvien efektīvāk ļauj izmantot vara kabeļus. Izmantojot DSL tehnoloģijas abonents var saņemt 2 līdz 8 Mbit/s (mūsdienās pat vairāk) datu pārraides ātrumu. Tomēr prasības pret pārraides ātrumu aug un vara kabelis kādu dienu tās nespēs apmierināt [2., 4.lpp.].
Nesenā pagātnē sākusies optisko tehnoloģiju ieviešana piekļuves tīklos. Galvenās tehnoloģijas, kas šajos tīklos tiek izmantotas ir IP (Internet Protocol) un Ethernet. Šodien Ethernet izmantošana ir izpletusies no LAN līdz pat piekļuves tīkliem. Ethernet un IP kopā ar optisko šķiedru tehnoloģijām padara iespējamu daudzpakalpojumu tīkla ieviešanu. Šajā tīklā datu, telefona un video pārraides var notikt vienlaicīgi [2., 4.lpp.].

2. Optiskās šķiedras
2.1. Gaismas daba

Visas modernās telekomunikācijas ir balstītas uz elektromagnētiskajiem viļņiem. Telekomunikācijās elektromagnētiskie viļņi nes informāciju vadītā režīmā vai brīvas izplatīšanās režīmā. Citos vārdos, ir vadu un bezvadu telekomunikācijas. Telekomunikācijās izmantotais elektromagnētiskais spektrs ir no 10 Hz līdz simtiem terahercu (1THz = 10 PP12PP Hz), tas apkopots tabulā 2.1. Elektromagnētisko viļņu spektrā gaisma pārstāv simtos terahercu mērāmās frekvences [2., 9.lpp.].

Tabula 2.1. Telekomunikācijās izmantoto frekvenču piemēri [2., 9.lpp., 2.1.].

Gaismai nav pilnīgi precīzas definīcijas. Dažās zinātnes jomās gaisma ir definēta kā elektromagnētiskā spektra daļa, kas redzama ar cilvēka aci. Citās jomās gaisma iekļauj arī neredzamās infrasarkano un ultravioleto gaismu [2., 9.lpp.].
Telekomunikācijās tiek izmantota infrasarkanā, ar cilvēka aci neredzamā, gaisma [2., 9.lpp.].
Kad gaisma tiek skaidrota telekomunikācijās, tiek izmantots viļņa garums. Frekvence un viļņa garums ir savstarpēji saistīti, šī saistība aprakstāma ar vienkāršu matemātisku formulu:

 = c/f (1.1.)
kur  = viļņa garums, f = frekvence , c = gaismas ātrums [2., 9.lpp.].
Gaismas ātrums vakuumā ir konstante cBB0BB = 299 792,458 km/s. Aprēķinos aptuvenais lielums 300 000 km/s parasti ir pietiekoši precīzs [2., 9.lpp.].
Gaismas ātrums dažādās vidēs kā piemēram stikls vienmēr ir zemāks nekā cBB0BB un tas ir atkarīgs no vides dielektriskajiem parametriem. Šie parametri ir aprakstīti ar lielumu, ko sauc par laušanas koeficientu. Ātrums tiek izteikts ar sekojošu formulu:

c = cBB0BB /n (1.2.)
kur c = gaismas ātrums vidē
cBB0BB = 300 000 km/s (gaismas ātrums vakuumā)
n = gaismas laušanas koeficients konkrētai videi [2., 10.lpp.].

Atstarošanās koeficients stiklam ir aptuveni 1,5, tādējādi gaismas ātrums optiskajā stikla šķiedrā ir aptuveni 200 000 km/s = 200 m/s [2., 10.lpp.].
Lai gan gaisma pamatā ir elektromagnētisko viļņu kustība, tās izplatīšanās parasti tiek skaidrota izmantojot staru modeli, saskaņā ar to gaisma izplatās staru formā. Gaismas enerģija tiek skaidrota izmantojot korpuskulāro teoriju. Saskaņā ar to gaisma sastāv no daļiņām, kam piemīt kvantu enerģija. Šīs daļiņas tiek sauktas par fotoniem [2., 10.lpp.].

2.2. Gaismas izplatība optiskajā šķiedrā

Optiskās šķiedras darbība ir balstīta uz laušanas un atstarošanas likumiem uz robežas starp divām vidēm. Zīmējumā 2.1. gaismas stars šķērso robežu starp divām vidēm ar dažādiem atstarošanās koeficientiem. Videi 1 ir lielāks laušanas koeficients nekā videi 2 (nBB1 BB> nBB2BB). Gaismas stars, izplatoties pa vidi 1 sasniedz vidi 2 ar krišanas leņķi BB1BB un tiek lauzts leņķī BB2BB. Krišanas un laušanas leņķi ir definēti kā leņķi starp gaismas staru un virsmu robežas perpendikulu. Zīmējumā 2.1. laušanas leņķis ir lielāks nekā atstarošanas leņķis. Laušanas pamatā ir Snelliusa laušanas likums: nBB1PBPB PPsinBB1BB = nBB2BB sinBB2BB [2., 10.lpp.].
Kad krišanas leņķis palielinās līdz noteiktai vērtībai, gaismas stars tiek lauzts 90 grādu leņķī, tas izplatās paralēli robežas virsmai. Kad krišanas leņķis turpina palielināties, gaismas stars tiek pilnībā atstarots ar leņķi, kas ir tāds pats kā krišanas leņķis. Šo parādību sauc par pilnīgo atstarošanos, un leņķis pie kura sākas pilnīgā atstarošanās tiek saukts par kritisko leņķi[2., 10.lpp.].

…