Оптоволоконные трассы с резервированием по кольцу: схемы построения, преимущества и ограничения
При построении кольцевых оптических трасс применяют топологии, позволяющие повысить надежность связи без существенного увеличения затрат на материалы. Вариант с двумя противонаправленными потоками — распространенная схема, при которой передача данных осуществляется одновременно в обоих направлениях.
Для реализации используются кабели с количеством волокон кратным двум, чаще всего применяют изделия на 12, 24 или 48 оптических нитей. В случае с городскими сетями применяют трассы длиной от 5 до 30 км между узлами коммутации. Для магистральных линий протяженность участков между активным оборудованием составляет от 80 до 120 км при использовании усилителей.
В кольцевых структурах стандартно используют протоколы резервирования, например, ITU-T G.8032 Ethernet Ring Protection Switching (ERPS). Этот протокол обеспечивает время восстановления до 50 миллисекунд при разрыве сегмента. Для обеспечения таких параметров важно учитывать длину волокон и число узлов.
В ERPS кольцо может содержать до 16 коммутаторов при общей длине не более 200 км без дополнительных усилителей сигнала. Применяемые оптические модули — чаще всего SFP с дальностью 10, 40 или 80 км на длинах волн 1310 или 1550 нм.
Материал кабелей выбирают исходя из типа прокладки. Для подземной прокладки с прямой засыпкой используется кабель с броней из стальной проволоки диаметром 1,2–1,5 мм. Разрывное усилие таких изделий превышает 10 кН, а радиус изгиба при прокладке составляет не менее 15 диаметров кабеля.
В случае подвеса на опорах электросетей применяют самонесущие кабели типа ADSS. Их расчетная нагрузка варьируется от 5 до 15 кН в зависимости от пролета между опорами — для городских условий применяют пролеты до 80 м, для сельских — до 150 м.
При проектировании кольцевых трасс учитывают параметры затухания. В волокнах типа G.652.D среднее затухание составляет 0,34 дБ/км на длине волны 1310 нм и 0,22 дБ/км на 1550 нм. При расчете бюджета линии необходимо суммировать затухание на участке и добавлять потери на сварные соединения (0,05 дБ на шов) и на разъемы (0,25 дБ на коннектор). При построении кольца длиной 40 км с 6 муфтами и 2 кроссами итоговое затухание составит примерно 10,8 дБ на 1550 нм.
Особенность кольцевой схемы заключается в наличии единственного резервного маршрута. При разрыве в одном месте поток перенаправляется в противоположную сторону. Однако при двух разрывах на разных сегментах связь между частью узлов может быть потеряна. Для повышения отказоустойчивости иногда строят двойные кольца или внедряют схему «двойное кольцо с общим сегментом».
В этом варианте увеличивается количество кабеля, зато появляется два независимых пути между узлами. В проектах региональных операторов связи встречаются топологии с двойными кольцами протяженностью до 400 км, построенными на базе двух отдельных трасс с пересечениями в узлах.
Для реализации таких решений важно правильно выбрать активное оборудование. Применяют коммутаторы и маршрутизаторы с двумя оптическими портами, поддерживающие автоматическое переключение при обрыве.
В оборудовании уровня доступа используют устройства с пропускной способностью 1 или 10 Гбит/с, на магистрали — до 100 Гбит/с. Для установки на площадках связи применяют шкафы с климатическим исполнением IP55 и рабочим диапазоном температур от –40 до +60 °C.
При построении трасс с кольцевой топологией проектировщики заранее закладывают места для возможного расширения сети. В таких точках оставляют технологические запасы кабеля — по 15–20 м в каждой муфте и по 50 м на узел. Это позволяет выполнять подключение новых пользователей или резервирование без отключения действующих сегментов.
Для прокладки волокна на участке с пересечением автодорог применяют трубостойки с гофрированными полиэтиленовыми трубами диаметром 50 мм. При этом длина подземной части стойки составляет не менее 1,5 м, надземной — до 2 м. Минимальная глубина заложения кабеля в грунте — 0,7 м в городских условиях и 1,2 м на сельских территориях.
В проектах федерального уровня применяют волокно типа G.655 с пониженной дисперсией, что позволяет увеличивать дальность передачи без регенерации. Значение хроматической дисперсии такого волокна — от 2 до 6 пс/(нм·км), что в 3–5 раз меньше, чем у G.652.D. Это актуально при использовании DWDM оборудования с плотностью каналов 100 ГГц и выше.
Для защиты колец от повреждений, связанных с земляными работами, трассы укладывают в двойные ПНД трубы диаметром 110 мм. Внутрь труб продевается сигнальная лента из медной проволоки с сечением 2,5 мм² для поиска трассы. В случае с городскими сетями, проложенными в кабельной канализации, применяют металлические конструкции с ячейками шириной 100–150 мм.
Расчет емкости кольца проводится с учетом количества пользователей и требуемой пропускной способности. При передаче потоков IPTV и интернета для городского района с населением 10 тысяч человек достаточно канала 10 Гбит/с. Для агломераций с населением свыше 100 тысяч человек применяют магистрали 100 Гбит/с с резервированием на уровне L2/L3.
В схемах с кольцевым резервированием применяют оптические кроссы формата 19 дюймов с плотностью до 144 портов на шкаф. Для сварки волокон используют муфты с емкостью до 192 соединений. Расчет количества муфт на участок проводится из условия не более 12 соединений на 1 км трассы. Оптимальное размещение — по одной муфте на каждые 3–5 км.
В случае подвеса ADSS кабеля вдоль линий электропередачи необходимо соблюдать расстояние не менее 1 м от ближайшего провода ВЛ-10 кВ и использовать арматуру с разрушающей нагрузкой от 12 кН. На опорах рекомендуется устанавливать гасители вибрации с шагом 40 м. При длине пролета 80 м достаточно двух гасителей на каждую сторону.
В проектах крупных дата-центров применяют кольца между ЦОДами длиной до 50 км с использованием OADM-модулей для добавления и удаления отдельных длин волн. Полоса пропускания таких систем может достигать 8 Тбит/с на одном волокне при использовании 80-канальных DWDM систем.
При выборе кабеля для кольца в условиях сильных температурных колебаний учитывают коэффициент температурного удлинения. Для стандартного оптического кабеля он составляет 0,01 %/°C. При перепаде температур от –40 до +40 °C изменение длины на участке 1 км составит около 8 м, что компенсируется технологическими запасами кабеля в муфтах.