Хоча в мережі існує безліч чинників, що впливають на затримку оптоволоконного сигналу, включно з самим волокном і різними типами обладнання, встановленим у мережі, у цій статті ми зосередимося винятково на затримці оптоволокна - що це таке, як вона розраховується, інструменти для розрахунку затримки оптоволокна та способи усунення затримки оптоволокна до і під час розгортання мережі.
Час передачі даних має велике значення, особливо в міру збільшення швидкості передачі даних для підтримки сучасних вимог, наприклад, контенту такого як потокове відео, фінансові операції та хмарні сервіси. Поява затримок, вищих за норму, в одній або декількох ділянках мережі призводить до зростання часу передавання сигналу в обидва боки, що ставить компанію в невигідне становище порівняно з конкурентами або призводить до появи незадоволених клієнтів/користувачів.
Що таке затримка в оптоволокні?
Затримка в оптоволокні - це тимчасова затримка, що виникає під час передачі світлового сигналу оптичним волокном. Іншими словами, це час, який потрібен сигналу, щоб пройти від однієї точки до іншої всередині волокна. Щоб точно розрахувати затримку в оптоволокні, нам необхідно спочатку обговорити деякі основи технології оптичного волокна.
Основи оптичного волокна (коротка версія)
Оптичне волокно - це одна нитка скла, яка у своєму незахищеному ізоляцією вигляді (голе оптичне волокно) складається з трьох шарів - серцевини, оболонки і тонкого шару захисного покриття. Скляна серцевина волокна несе світловий сигнал, скляна оболонка призначена для утримання світлового сигналу всередині серцевини, і, нарешті, покриття просто забезпечує волокну мінімальний шар міцності та захисту.
Приклад конструкції та розмірів цих сегментів можна побачити в типовому стандартному одномодовому оптичному волокні G.652, де серцевина має розмір близько 9 мм, оболонка - 125 мм, а зовнішнє покриття - 125 мм, в результаті чого загальний діаметр волокна становить близько 259 мм.
Важливо відзначити, що скляну серцевину виготовляють із певним показником заломлення (IOR), також званим коефіцієнтом заломлення, а скляну оболонку виготовляють з іншим IOR, щоб ефективно утримувати сигнал усередині серцевини під час передачі. IOR середовища, в даному випадку оптичного волокна, відіграє ключову роль у визначенні часу, який потрібен світловому сигналу для передачі по волокну.
Швидкість світла в оптичному волокні та коефіцієнт заломлення (IOR)
Показник заломлення (IOR) - це відношення швидкості світла у вакуумі до швидкості світла в середовищі, як-от повітря, вода або, в цьому випадку, скловолокно.
IOR вакууму дорівнює 1, IOR повітря - приблизно 1,0003, а показник заломлення скляної серцевини оптичного волокна становить близько 1,468. Це говорить про те, що у вакуумі світло поширюється швидше, ніж у повітрі, а через повітря воно проходить швидше, ніж через таке середовище, як оптичне волокно.
У вільному просторі швидкість світла становить близько 299 792 458 метрів на секунду. Використовуючи це значення разом з IOR або ядром, можна досить легко розрахувати затримку світлового сигналу в оптоволокні. У наступному розділі ми покажемо рівняння, що використовується для розрахунку затримки в оптоволокні, а також приклад з використанням однієї поширеної марки оптичного волокна, широко використовуваного в глобальних мережах.
Як розрахувати затримку в оптоволокні
Рівняння зв'язку між відстанню, швидкістю світла та IOR для середовища передавання даних:
Швидкість в середовищі = Швидкість світла в вакуумі / IOR
Таким чином, під час розрахунку затримки волокна, якщо ми використовуємо значення швидкості світла, одномодове оптичне волокно Corning® SMF-28® Ultra і значення IOR його серцевини 1,4682 за довжини хвилі сигналу 1550 нм, результуюче рівняння буде таким:
Швидкість в середовищі = 299 792 458 метрів на секунду / 1,4682
У результаті цього рівняння виходить відстань 204 190 476 метрів за секунду, або, округло, приблизно 204,191 метра за мікросекунду, що підтверджує той факт, що світловий сигнал проходить через таке середовище, як скловолокно, повільніше, ніж у вільному просторі.
Відстань = Швидкість в середовищі х Час
Використовуючи це рівняння з відомими даними IOR для будь-якого оптичного волокна, можна розрахувати відстань, ввівши значення затримки, або визначити значення затримки для заданої відстані.
Примітка: оскільки IOR змінюється під час передачі різних довжин хвиль, більшість виробників оптичних волокон надають значення IOR на певних довжинах хвиль, наприклад, 1310 і 1550 нм для одномодових волокон. Ці характеристики можна знайти в технічних паспортах, які вони надають для кожного конкретного волокна.
Оскільки пошук і збір таких даних може бути обтяжливим, існують інструменти, такі як калькулятори затримки оптичного волокна, які вже зібрали та включили ці дані для багатьох популярних одномодових і багатомодових волокон від провідних виробників, даючи вам змогу швидко та легко розрахувати значення затримки або відстані.
Фактори, що впливають на затримку в оптоволокні
У більшості випадків відстань завжди є основним, а іноді і єдиним фактором, який враховують ті, хто має справу із затримками в оптоволокні. Зрештою, фізична відстань справді є значним фактором, а також більшість сучасних пристроїв для тестування оптоволокна, що використовуються для перевірки та визначення характеристик оптичних волокон, наприклад, рефлектометри, надають результати, що ґрунтуються на відстані або довжині, на відміну від часової затримки.
Однак фізична відстань або довжина волокна - не єдиний фактор, який слід враховувати при визначенні затримки в оптоволокні. Давайте розглянемо лише кілька основних факторів, характерних для конкретного волокна, які можуть впливати на величину затримки в мережі і які необхідно враховувати.
Відстань / довжина волокна
Як зазначалося вище, фізична відстань є основним фактором, що впливає на результуючу затримку. Простіше кажучи, для проходження сигналу по волокну завдовжки 10 км потрібно більше часу, ніж по волокну завдовжки 5 км. Якщо в проліт додається більша кількість волокон, це призводить до збільшення значення затримки.
Наприклад, загальна відстань між двома точками мережі може становити 100 км, але для мінімізації негативного впливу хроматичної дисперсії може знадобитися волокно з компенсацією дисперсії. Довжина волокна з компенсацією дисперсії залежить від його негативних дисперсійних характеристик, але в деяких випадках воно може займати до 10 % від загальної довжини волокна. У цьому прикладі це додає 10 км, так що підсумкова довжина тепер становить 110 км. Слід також зазначити, що просте додавання комутаційних кабелів при підключенні обладнання або структурованих кабелів між стійками також додає більше волокон, що впливає на загальне значення затримки.
У мережах із затримками інженери докладають усіх зусиль, щоб вирівняти довжину фізичних волокон, що надходять у центр обробки даних, а також усередині об'єкта під час спроби синхронізувати час передавання сигналу або забезпечити узгоджену продуктивність між кількома волокнами.
На додаток до структурованих кабелів інженери часто використовують оптичні тимчасові затримки, що являють собою волокна, намотані на котушки точної довжини, які дають змогу точно налаштувати відстань між волокнами і, таким чином, допомагають точно налаштувати або вирівняти значення затримки.
Тип або марка волокна
Оскільки кожен виробник волокон використовує різні підходи і рецепти для виробництва своїх волокон, необхідно враховувати тип або марку волокна, коли ви думаєте про затримки волокна. Наприклад, якщо одне волокно може мати коефіцієнт заломлення 1,468 @ 1550 нм, то в порівнянні волокно G.652D іншого виробника може бути трохи нижчим - 1,467 @ 1550 нм.
Оскільки коефіцієнт заломлення є частиною рівняння під час визначення затримки волокна, під час використання останнього волокна буде мінімальне поліпшення затримки, якщо розглядати тільки саме волокно. Однак у рамках загальної продуктивності мережі, крім затримки волокна, всі фактори продуктивності (наприклад, втрати/затухання) також будуть враховуватися і відіграватимуть важливу роль, тому нижчий показник заломлення не означає, що це волокно обов'язково є найкращим вибором для мережі.
Оскільки волокна різних типів і марок мають різний коефіцієнт заломлення і працюють на різних довжинах хвиль, важливо тестувати й оцінювати різні типи волокон у лабораторних умовах під час визначення найкращого варіанту волокна для мережі. Використання професійних емуляторів оптоволоконних мереж і каналів зв'язку для досліджень і розробок та сертифікації забезпечує найточніший спосіб емуляції реальних характеристик оптоволокна та очікуваних характеристик затримки в тестовому середовищі, оскільки ви можете вказати різні типи та довжини для цілей оцінки.
Довжина хвилі переданого сигналу
Різні довжини хвиль світла мають різні значення IOR під час передачі в оптичному волокні, тому, оскільки показник заломлення є ключовим компонентом у рівнянні затримки, значення затримки змінюватиметься залежно від довжини хвилі, що передається. Виробники оптичних волокон зазвичай вказують типові значення IOR для одномодових волокон на 1310 і 1550 нм, а для багатомодових волокон - на 850 і 1300 нм. Нарешті, значення IOR, зазначені для волокон, зазвичай відносяться до ефективного групового показника заломлення.
Температура
Маловідомий фактор, але зміни температури впливають на властивості скла. Хоча порівняно з іншими факторами вона має менший вплив на затримку волокна, зміна температури на 1℃ змінить значення IOR на 1 цифру в 5-му десятковому розряді. Волокно в неконтрольованому за температурою приміщенні в мережі може мати температуру від -6 ℃ взимку до 30 ℃ влітку, що відповідає зміні на 36 ℃, тобто IOR зміниться з 1,46820 до 1,46856. Знову ж таки, це не надто значна зміна, яка не викличе занепокоєння у більшості людей, але для фінансової торговельної мережі, де кожна частка секунди має значення, ці зміни також можуть бути враховані відповідним чином.
Використання різних тестових пристроїв і налаштувань продуктивності
Відомо і очікувано, що використання різних пристроїв для тестування довжини волокна може дати і часто дає різні результати. Кожен виробник випробувальних пристроїв створює свої власні пристрої по-різному з точки зору деталей, лазерів, конфігурацій, програмного забезпечення і допусків. Незважаючи на те, що вони в принципі схожі і часто засновані на одній і тій самій технології, ці відмінності, а також типи функцій і конкретні налаштування, які вибирає користувач, часто призводять до різних результатів.
Візьмемо, наприклад, рефлектометр. Два порівнянних типи рефлектометрів від провідних виробників - обидва чудові прилади, але через прості відмінності в програмному забезпеченні або налаштуваннях, які вибирає користувач, один може тестувати довжину до 20 004 метрів, а інший - до 20 001 метра. Можна сказати, що це всього лише різниця в 3 метри, і для більшості застосунків це абсолютно нормально, але для організацій, що працюють із затримками, таких як високошвидкісні фінансові трейдери, 3 метри - це дуже багато, якщо вони намагаються досягти допусків у сантиметри або менше, якщо це можливо.
Щиро Ваш, Небилович Сергій, директор магазину мережевого обладнання EServer.