Технико-экономическое обоснование волоконно-оптической линии связи городской телефонной станции.

Если на ранних стадиях развития новой технологии для ее становления и развития достаточной движущей силой может служить простая любознательность, то после того как четко определится ее уровень развития и области применения, стимулирующим фактором развития этой технологии может стать только ее существенное экономическое преимущество. В случае оптических волокон такое экономическое преимущество может проявляться по-разному в различных областях применения и для убедительного доказательства целесообразности разработки системы передачи данных с применением оптических волокон или без них требуется комплексная оценка этой системы.

Например, в случае связи на большие расстояния сравнение затрат характеризуется большей стоимостью оптического волокна по сравнению со стоимостью электрического кабеля данной информационной пропускной способности. Однако по стоимости преимущество будет на стороне оптического волокна, за счет того, что оно дает возможность устанавливать ретрансляторы на большие расстояния друг от друга, причем это преимущество становится значительным, если ретрансляторы можно расположить и подвести к ним питание внутри существующих станций, благодаря чему исключается необходимость станций с дистанционным питанием.

При связи на короткие расстояния важной становится стоимость оконечного оборудования, включая электрические устройства питания источника излучения и оптического устройства приемника, а также устройства модуляции и детектирования сигнала. Разумеется, нет четкой границы между длинными и короткими линиями связи, но считают, что она находится где-то в области 1 … 10 км.

Комплексную оценку всей системы можно дать, взяв в качестве примера систему передачи данных, предназначенную для использования на современных военных самолетах. Простая замена существующих электрических систем передачи данных оптическим волокном даст очень малую экономию, если вообще даст, а стоимость оконечного оборудования значительно возрастет. Однако за время всего 20 – летнего срока службы самолета будет иметь место значительная экономия расхода топлива за счет снижения массы волоконно-оптических систем передачи данных. Если самолет находится в стадии проектирования и можно изменить его конструкцию, то экономия топлива увеличится еще больше за счет того, что меньшие масса и размеры ВОСП позволяют уменьшить размеры и массу самолета. Кроме того, можно проложить ВОСП в местах с высокими электромагнитными помехами или на участках, где находятся взрывчатые вещества, которые пришлось бы обойти при прокладке традиционных электрических линий передачи. В результате этих мероприятий возможно уменьшение массы самолета ~ на 1 т.

Исследования такого рода обычно проводятся специалистами и заказчиком. Для многих применений ВОЛС важнейшим качеством их является невосприимчивость к внешним электромагнитным полям. Это качество трудно переоценить. Проблема борьбы с электромагнитными помехами самой различной природы, включая взаимные помехи многочисленных средств связи, является в современных условиях едва ли не самой острой. Обычные системы связи предусматривают весьма сложные и дорогие средства защиты от помех, создаваемых транспортом на электрической тяге, разнообразными энергетическими, технологическими и другими электроустановками. Особенно тяжелой становится проблема, названная электромагнитной совместимостью, в ситуации, когда в относительно небольшом пространстве приходится размещать и энергетические установки, и системы автоматики и телеуправления, и разветвленную сеть связи с многочисленными абонентскими устройствами. Такая ситуация возникает на многих промышленных предприятиях, в различных центрах управления, на транспортных средствах – кораблях, самолетах и др.

Использование ВОЛС радикально решает проблему электромагнитной совместимости. Заметим, что здесь вовсе не обязательно речь идет о больших скоростях передачи и, тем более, о больших дальностях связи. Таким образом, ВОЛС становится буквально незаменимой и вследствие того, что она свободна от внешних помех, в том числе и от помех со стороны соседних ВОЛС.

В качестве следующего достоинства укажем на малые габаритные размеры и массу оптических кабелей. Неизмеримо упрощается прокладка магистральных и зоновых линий связи. Отпадает необходимость использования тяжелой машинной техники, необходимой для земляных и строительных работ при подготовке трасс, для транспортировки и укладки тяжелых кабелей. Появляется новое качество – возможность оперативного развертывания кабельных линий с большой пропускной способностью, в том числе в труднодоступной местности, с преодолением водных и иных преград.

Очень важен выигрыш в массогабаритных показателях на транспортных средствах, особенно на летательных аппаратах. Кроме того, при работе персонала с действующими кабелями не возникает опасности поражения электрическими разрядами. Можно добавить, что и для оконечной аппаратуры не возникает аварийных режимов, которые нередко наблюдаются при коротких замыканиях и обрывах в аппаратуре традиционной электросвязи.

В заключение перечня положительных качеств ВОЛС необходимо подчеркнуть, что волоконные световоды изготавливаются из диэлектрических материалов – кварца, многокомпонентных стекол, полимеров. На их изготовление не расходуются дефицитные цветные металлы. В современных условиях, когда уже сказывается ограниченность мировых запасов меди и свинца, переход на недефицитное сырье становится важнейшим фактором для развития техники кабельной связи, т. к. кабельная промышленность потребляет до 50 % меди и 25 % свинца общих ресурсов.

Такого рода анализ затрат всегда сложен. Тем не менее, очевидно, что наибольшую экономическую выгоду можно получить, применяя оптическое волокно в составе телефонной системы с высокой информационной пропускной способностью. Это вытекает из относительной дешевизны пары медных проводов. Если добавить стоимость ретранслятора, то стоимость двусторонней двухпроводной линии связи будет ~ 200$ за 1 км. (1 пара) и даже самое дешевое волокно в линиях без ретрансляторов, в которых используются простейшие передатчики и приемники (световоды и p-i-n – фотодиоды) не только не будут конкурентоспособными с ней, но затраты могут даже существенно увеличится.

Очевидно, что на более высоких уровнях иерархии (скоростях передачи) дополнительные затраты на волокно по сравнению с коаксиальным кабелем будут более чем компенсированными за счет экономии на ретрансляторах. Коаксиальные линии связи требуют установки ретрансляторов через каждые 1…2 км., а волоконно-оптические только через 10…20 км. Экономия выражается в затратах не только на капиталовложения, но и на монтаж и обслуживание. Она возрастает еще больше, если полностью исключить ретрансляторы с источниками питания.

Можно сделать вывод, что волокна имеют очевидные преимущества перед коаксиальными кабелями на более высоких уровнях иерархии систем связи. Однако проблема заключается в том, что на высших уровнях требуется гораздо меньше волокна, чем на низших. Если сконцентрироваться исключительно на этом, будет трудно создать массовое производство оптического волокна такого объема, который требуется для реализации экономических преимуществ крупносерийного производства. Поэтому на ВОЛС применяются различные системы передачи с пропускной способностью 2, 8, 34 Мбит/с и выше. Усилия фирмы British Telecom направлены на создание систем с пропускной способностью 140 Мбит/с для междугородних линий и 8 Мбит/с для межстанционных.

Таблица 10.1 - Сравнительный анализ и области применения электрических и оптических кабелей

Из таблицы 10.1 видна высокая технико-экономическая эффективность оптических кабелей. Во-первых, достигается большая экономия цветных металлов, во-вторых, обеспечивается существенно меньшее затухание. Так при работе системы ИКМ по электрическому кабелю длина усилительного участка составляет 9,3 км, а по ОК – 12 км на волне 0,85 мкм и 39 км на волне 1,3 мкм.

На рис. 10.1 приведены кривые относительной стоимости 1 канал-км для цифровых ВОЛС (кривая 2). На этом же рисунке представлена зависимость средней стоимости 1 канал-км при работе связи по электрическим кабелям (кривая 2).

Рис. 10.1 - Кривые зависимости средней стоимости 1 канал-км при работе связи по электрическим кабелям (1) и оптическим кабелям (2)

Из рисунка видно, что стоимость связи по ОК падает с ростом числа каналов в более резкой зависимости. Имея в виду, что основные потребности нашей страны в каналах на обозримую перспективу находятся в пределах эффективного применения коаксиальных кабелей (от 500 до 10000), они получили широкое развитие на магистральных сетях связи. Однако, учитывая достоинства ОК, им уже сейчас отдается предпочтение в новом строительстве как магистральных, так и городских и зоновых сетей связи.

Число каналовРис. 10.2 - Эффективность различных направляющих систем

ВЛ – воздушная линия;

СК – симметричный кабель;

КК – коаксиальный кабель;

ОК – оптический кабель;

В – волновод.

Сравнивая приведенные НС в целом, можно признать, что в сумме показателей наилучшими являются коаксиальный и оптический кабели. Хорошим средством передачи широкополосной информации является также цилиндрический волновод при использовании волны Н01. Такой волновод позволяет получить большое число телефонных и телевизионных каналов. Существенным недостатком волноводов является громоздкость конструкции и малые строительные длины.

Симметричные цепи (воздушные линии и симметричные кабели) широко используются для устройства междугородних и местных связей в ограниченном диапазоне частот (как правило, до 1 МГц). Этим цепям свойственны все недостатки открытых систем – большие потери энергии и плохая защищенность от взаимных и внешних помех.

Сверхпроводящие кабельные линии связи являются перспективным средством передачи современной различной информации на большие расстояния. Однако технико-экономическая эффективность их в настоящее время невелика. Сверхпроводящие кабели позволяют организовать многоканальную связь на огромные расстояния без электронных усилительных устройств. Но для поддержания низких температур необходимо иметь через каждые 10…20 км криогенные станции, стоимость которых довольно высока. Поэтому затраты на сооружение сверхпроводящей магистрали пока еще значительно превышают затраты на обычную кабельную магистраль. В настоящее время сверхпроводящие коаксиальные кабели получили применение в антенно-фидерных устройствах и различных установках радиоэлектроники.

Из рис. 10.2 видна вполне обоснованная закономерность снижения стоимости 1 канал-км линии связи с увеличением числа каналов. Стоимость канала обратно пропорциональна 1/^N, где N – число каналов. В этом плане имеется прямая связь между экономичностью системы и ее широкополосностью. Как видно из рисунка, самой дешевой является связь по световоду и волноводу, затем идет коаксиальный кабель, и, наконец, самой дорогой является связь по воздушным линиям.