Хотя в сети существует множество факторов, влияющих на задержку оптоволоконного сигнала, включая не только само волокно, но и различные типы оборудования, установленного в сети, в этой статье мы сосредоточимся исключительно на задержке оптоволокна - что это такое, как она рассчитывается, инструменты для расчета задержки оптоволокна и способы устранения задержки оптоволокна до и во время развертывания сети.
Время передачи данных имеет большое значение, особенно по мере увеличения скорости передачи данных для поддержки современных требований, например, контента, такого как потоковое видео, финансовые операции и облачные сервисы. Возникновение задержек выше нормы в одном или нескольких участках сети приводит к росту времени передачи сигнала в обе стороны, что ставит компанию в невыгодное положение по сравнению с конкурентами или приводит к появлению недовольных клиентов/пользователей.
Что такое задержка в оптоволокне?
Задержка в оптоволокне - это временная задержка, возникающая при передаче светового сигнала по оптическому волокну. Другими словами, это время, которое требуется сигналу, чтобы пройти от одной точки до другой внутри волокна. Чтобы точно рассчитать задержку в оптоволокне, нам необходимо сначала обсудить некоторые основы технологии оптического волокна.
Основы оптического волокна (краткая версия)
Оптическое волокно - это одна нить стекла, которая в своем необработанном виде (голое оптическое волокно) состоит из трех слоев - сердцевины, оболочки и тонкого слоя защитного покрытия. Стеклянная сердцевина волокна несет световой сигнал, стеклянная оболочка предназначена для удержания светового сигнала внутри сердцевины, и, наконец, покрытие просто обеспечивает волокну минимальный слой прочности и защиты.
Пример конструкции и размеров этих сегментов можно увидеть в типичном стандартном одномодовом оптическом волокне G.652, где сердцевина имеет размер около 9 мм, оболочка - 125 мм, а внешнее покрытие - 125 мм, в результате чего общий диаметр волокна составляет около 250 мм.
Важно отметить, что стеклянная сердцевина изготавливается с определенным показателем преломления (IOR), также называемым коэффициентом преломления, а стеклянная оболочка изготавливается с другим IOR, чтобы эффективно удерживать сигнал внутри сердцевины во время передачи. IOR среды, в данном случае оптического волокна, играет ключевую роль в определении времени, которое требуется световому сигналу для передачи по волокну.
Скорость света в оптическом волокне и коэффициент преломления (IOR)
Показатель преломления (IOR) - это отношение скорости света в вакууме к скорости света в среде, такой как воздух, вода или, в данном случае, стекловолокно.
IOR вакуума равен 1, IOR воздуха - примерно 1,0003, а показатель преломления стеклянной сердцевины оптического волокна составляет около 1,468. Это говорит о том, что в вакууме свет распространяется быстрее, чем в воздухе, а через воздух он проходит быстрее, чем через такую среду, как оптическое волокно.
В свободном пространстве скорость света составляет около 299 792 458 метров в секунду. Используя это значение вместе с IOR или ядром, можно довольно легко рассчитать задержку светового сигнала в оптоволокне. В следующем разделе мы покажем уравнение, используемое для расчета задержки в оптоволокне, а также пример с использованием одной распространенной марки оптического волокна, широко используемого в глобальных сетях.
Как рассчитать задержку в оптоволокне
Уравнение связи между расстоянием, скоростью света и IOR для среды передачи данных:
Скорость в среде = Скорость света в вакууме / IOR
Таким образом, при расчете задержки волокна, если мы используем значение скорости света, одномодовое оптическое волокно Corning® SMF-28® Ultra и значение IOR его сердцевины 1,4682 при длине волны сигнала 1550 нм, результирующее уравнение будет следующим:
Скорость в среде = 299 792 458 метров в секунду / 1,4682
В результате этого уравнения получается скорость 204 190 476 метров в секунду, или, округленно, примерно 204,191 метра в микросекунду, что подтверждает тот факт, что световой сигнал проходит через такую среду, как стекловолокно, медленнее, чем в свободном пространстве.
Расстояние = Скорость света в среде × Время
Используя это уравнение с известными данными IOR для любого оптического волокна, можно рассчитать расстояние, введя значение задержки, или определить значение задержки для заданного расстояния.
Примечание: поскольку IOR меняется при передаче различных длин волн, большинство производителей оптических волокон предоставляют значения IOR на определенных длинах волн, например 1310 и 1550 нм для одномодовых волокон. Эти характеристики можно найти в технических паспортах, которые они предоставляют для каждого конкретного волокна.
Поскольку поиск и сбор таких данных может быть обременительным, существуют инструменты, такие как калькуляторы задержки оптического волокна, которые уже собрали и включили эти данные для многих популярных одномодовых и многомодовых волокон от ведущих производителей, позволяя вам быстро и легко рассчитать значения задержки или расстояния.
Факторы, влияющие на задержку в оптоволокне
В большинстве случаев расстояние всегда является основным, а иногда и единственным фактором, который учитывают те, кто имеет дело с задержками в оптоволокне. В конце концов, физическое расстояние действительно является значительным фактором, а также большинство современных устройств для тестирования оптоволокна, используемых для проверки и определения характеристик оптических волокон, например рефлектометры, предоставляют результаты, основанные на расстоянии или длине, в отличие от временной задержки.
Однако физическое расстояние или длина волокна - не единственный фактор, который следует учитывать при определении задержки в оптоволокне. Давайте рассмотрим лишь несколько основных факторов, характерных для конкретного волокна, которые могут влиять на величину задержки в сети и которые необходимо учитывать.
Расстояние / длина волокна
Как отмечалось выше, физическое расстояние до волокна является основным фактором, влияющим на результирующую задержку. Проще говоря, для прохождения сигнала по волокну длиной 10 км требуется больше времени, чем по волокну длиной 5 км. Если в пролет добавляется большее количество волокон, это приводит к увеличению значения задержки.
Например, общее расстояние между двумя точками сети может составлять 100 км, но для минимизации негативного влияния хроматической дисперсии может потребоваться волокно с компенсацией дисперсии. Длина волокна с компенсацией дисперсии зависит от его отрицательных дисперсионных характеристик, но в некоторых случаях оно может занимать до 10 % от общей длины волокна. В данном примере это добавляет 10 км, так что итоговая длина теперь составляет 110 км. Следует также отметить, что простое добавление коммутационных кабелей при подключении оборудования или структурированных кабелей между стойками также добавляет больше волокон, что влияет на общее значение задержки.
В сетях с задержками инженеры прилагают все усилия, чтобы выровнять длину физических волокон, поступающих в центр обработки данных, а также внутри объекта при попытке синхронизировать время передачи сигнала или обеспечить согласованную производительность между несколькими волокнами.
В дополнение к структурированным кабелям инженеры часто используют оптические временные задержки, представляющие собой волокна, намотанные на катушки точной длины, которые позволяют точно настроить расстояние между волокнами и, таким образом, помогают точно настроить или выровнять значения задержки.
Тип или марка волокна
Поскольку каждый производитель волокон использует различные подходы и рецепты для производства своих волокон, необходимо учитывать тип или марку волокна, когда вы думаете о задержках волокна. Например, если одно волокно может иметь коэффициент преломления 1,468 @ 1550 нм, то сопоставимое волокно G.652D другого производителя может быть немного ниже - 1,467 @ 1550 нм.
Поскольку коэффициент преломления является частью уравнения при определении задержки волокна, при использовании последнего волокна будет минимальное улучшение задержки, если рассматривать только само волокно. Однако в рамках общей производительности сети, помимо задержки волокна, все факторы производительности (например, потери/затухание) также будут учитываться и играть важную роль, поэтому более низкий показатель преломления не означает, что это волокно обязательно является лучшим выбором для сети.
Поскольку волокна различных типов и марок имеют разный коэффициент преломления и работают на разных длинах волн, важно тестировать и оценивать различные типы волокон в лабораторных условиях при определении наилучшего варианта волокна для сети. Использование профессиональных эмуляторов оптоволоконных сетей и каналов связи для исследований и разработок и сертификации обеспечивает наиболее точный способ эмуляции реальных характеристик оптоволокна и ожидаемых характеристик задержки в тестовой среде, поскольку вы можете указать различные типы и длины для целей оценки.
Длина волны передаваемого сигнала
Разные длины волн света имеют разные значения IOR при передаче в оптическом волокне, поэтому, поскольку показатель преломления является ключевым компонентом в уравнении задержки, значение задержки будет меняться в зависимости от длины передаваемой волны. Производители оптических волокон обычно указывают типичные значения IOR для одномодовых волокон на 1310 и 1550 нм, а для многомодовых волокон - на 850 и 1300 нм. Наконец, значения IOR, указанные для волокон, обычно относятся к эффективному групповому показателю преломления.
Температура
Малоизвестный фактор, но изменения температуры влияют на свойства стекла. Хотя в сравнении с другими факторами оно оказывает меньшее влияние на задержку волокна, изменение температуры на 1℃ изменит значение IOR на 1 цифру в 5-м десятичном разряде. Волокно в неконтролируемом по температуре помещении в сети может иметь температуру от -6℃ зимой до 30℃ летом, что соответствует изменению на 36℃, то есть IOR изменится с 1,46820 до 1,46856. Опять же, это не слишком значительное изменение, которое не вызовет беспокойства у большинства людей, но для финансовой торговой сети, где каждая доля секунды имеет значение, эти изменения также могут быть учтены соответствующим образом.
Использование различных тестовых устройств и настроек производительности
Известно и ожидаемо, что использование различных устройств для тестирования длины волокна может дать и часто дает разные результаты. Каждый производитель испытательных устройств создает свои собственные устройства по-разному с точки зрения деталей, лазеров, конфигураций, программного обеспечения и допусков. Несмотря на то, что они в принципе похожи и часто основаны на одной и той же технологии, эти различия, а также типы функций и конкретные настройки, которые выбирает пользователь, часто приводят к разным результатам.
Возьмем, к примеру, рефлектометр. Два сопоставимых типа рефлектометров от ведущих производителей - оба отличные приборы, но из-за простых различий в программном обеспечении или настройках, которые выбирает пользователь, один может тестировать длину до 20 004 метров, а другой - до 20 001 метра. Можно сказать, что это всего лишь разница в 3 метра, и для большинства приложений это совершенно нормально, но для организаций, работающих с задержками, таких как высокоскоростные финансовые трейдеры, 3 метра - это очень много, если они пытаются достичь допусков в сантиметры или меньше, если это возможно.
Искренне Ваш, Небилович Сергей, директор магазина сетевого оборудования EServer.