Эффективность ВОЛС. Оценка и пути повышения

С. А. Сиднев, А. Л. Зубилевич, 
О. В. Колесников, В. А. Царенко
Оценка и пути повышения 
Эффективность
ВОЛС
Москва
Горячая линия – Телеком 
2022

УДК [621.391.63+681.7.068]:330.322.5 
ББК 65.38 
      Э94 
Р е ц е н з е н т :   
доктор техн. наук, профессор кафедры «Автоматизация  
и электроснабжение» НИУ МГСУ  А. Б. Семенов  
А в т о р ы :   
С. А. Сиднев, А. Л. Зубилевич, О. В. Колесников, В. А. Царенко 
 
Э94          Эффективность ВОЛС. Оценка и пути повышения / С. А. Сиднев, А. Л. 
Зубилевич, О. В. Колесников и др. – М.: Горячая линия – Телеком, 2022. 
– 130 с.: ил. 
ISBN 978-5-9912-0899-4. 
Рассмотрены вопросы повышения эффективности ВОЛС. В качестве 
критерия оценки выбран показатель экономической эффективности NPV 
(Net Present Value) – показатель чистой текущей стоимости, который 
признан одним из основных инструментов оценки среди всех способов 
принятия инвестиционных решений. Особое внимание уделено вопросам 
неопределённости и риска. Материал изложен в доступной для понимания форме, с пояснениями в виде примеров расчёта по приводимым 
соотношениям и сопровождается таблицами и графиками. 
Для специалистов, занимающихся проектированием и оценкой 
экономической эффективности ВОЛС, будет полезна студентам старших курсов и аспирантов, обучающимся по соответствующим направлениям подготовки. 
ББК 65.38 
Адрес издательства в Интернет WWW.TECHBOOK.RU 
 
Тиражирование книги начато в 2021 г. 
 
Все права защищены. 
Любая часть этого издания не может быть воспроизведена  
в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами  
без письменного разрешения правообладателя. 
 
© ООО «Научно-техническое издательство «Горячая линия – Телеком» 
www.techbook.ru 
  С. А. Сиднев, А. Л. Зубилевич, О. В. Колесников, В. А. Царенко 

Предисловие
Постоянно растущий спрос как на традиционные, так и на новые
услуги связи предъявляют новые требования к современным сетям
связи и качеству предоставляемых услуг.
В свою очередь, совершенствование телекоммуникационного оборудования и развитие на
его основе современных сетей связи приводит к значительным капитальным затратам на создание таких сетей. В связи с этим вопросы
планирования построения современных телекоммуникационных сетей различного масштаба приобретают актуальность и особую значимость.
В настоящее время любые решения, связанные с проектированием волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), принимаются по
итогам оценки их экономической эффективности. При этом очень
редко удаётся осуществить оптимальное проектирование и найти
наиболее эффективное решение поставленных задач. Оценка проектов ВОЛС, подверженных влиянию различных факторов, учёт
неопределённости и, как следствие, их экономическая эффективность напрямую зависят от выбора математической модели. Правильное обоснование и грамотный выбор математической модели
позволяют не только обеспечить приемлемую формализацию неопределённости, но и принимать оптимальные решения при управлении реальными инвестиционными процессами.
Планирование сетей подразумевает определённую последовательность и этапность принятия организационно-технических решений по выбору архитектуры, топологии, структуры, базовых технологий, аппаратуры и волоконно-оптических кабелей на основе некоторых принципов и технических требований к цифровой сети. Рекомендации по оптимизации указанных решений в условиях неопределённости являются основным предметом рассмотрения представленной вниманию читателей книги.
Стоимость сети, безусловно, является одним из главных факторов при её планировании. Однако окончательное решение необходимо принимать на основании соотношения стоимости и производительности, отдачи сети, достигая её максимальной эффективности.
В работе выбор элементов сети проводится на основе показателя
эффективности NPV (Net Present Value, чистой текущей стоимости,

Предисловие
ЧТС). Необходимые сведения по данному и другим показателям,
оценивающим эффективность проекта, представлены в Приложении 1.
Метод NPV признан основным инструментом оценки среди всех
способов принятия инвестиционных решений ещё в прошлом веке.
Однако взгляды на него претерпели серьёзные изменения и, прежде
всего, в вопросе оценки неопределённости. Изменился общий подход
к анализу неопределённости как составной части процесса принятия
инвестиционных решений. При определении NPV, т. е. стоимости
проекта, необходимо учитывать, какие возможности он открывает
перед акционерами и менеджерами. Если один проект даёт возможность руководству действия по строго определённому курсу, то другой — обеспечивает возможность манёвра принятия решений в будущем, когда появится больше информации. Теория оценки опционов
предоставляет в распоряжение менеджеров методы количественной
оценки гибкости проекта.
Авторы выражают благодарность и признательность рецензентам и всем, принявшим участие в обсуждении книги.
Авторы с
благодарностью примут замечания и предложения по содержанию
и оценке монографии.

Эволюция и перспективы развития
ВОЛС
1.1. Эволюция ВОЛС
ВОЛС ведут свой отсчёт, начиная с 70-х годов прошлого века,
когда впервые были созданы оптические волокна (ОВ), представляющие собой двухслойные цилиндрические кварцевые нити, состоящие из сердцевины и оболочки (диэлектрические волноводы). Световая энергия распространяется в сердцевине оптического волокна,
испытывая полное внутреннее отражение на границе с оболочкой за
счёт разных коэффициентов преломления материалов, из которых
изготовлено ОВ.
В своём развитии ВОЛС прошли несколько этапов, на каждом
из которых решались свои фундаментальные проблемы.
Начальный этап история оптической связи включает следующие даты:
1970–1973 гг. — американская компания Corning Glass Company
осваивает производство оптического волокна с затуханием менее
20 дБ/км. Ж.И. Алфёров разработал полупроводниковой лазер, работающий при комнатной температуре. Получены лазерные диоды
со сроком службы 1000 часов;
1974 г. — разработано градиентное многомодовое волокно;
1976 г. — открыто третье окно прозрачности ОВ на длине волны
λ3 = 1,55 мкм. Срок службы лазеров увеличен до 100 000 часов
(10 лет).
В развитии оптических систем разработчики стремились реализовать два принципа: «быстрее» и «дальше» [1].
Если второй
принцип связан с решением проблемы затухания сигнала в волокне,
то первый принцип — с дисперсией (расширением) оптического сигнала по мере его распространения по направляющей среде.
Первые световоды были многомодовыми. В многомодовых оптических волокнах (МОВ) одновременно распространяется большое
число мод — лучей, введённых в сердцевину ОВ (диаметры сердцевины многомодовых волокон в настоящее время составляют 50 и
62,5 мкм). Основным недостатком такого волокна является наличие

Р а з д е л 1
межмодовой дисперсии, возникающей из-за того, что разные моды проделывают в волокне разный оптический путь. В результате
оптический импульс на выходе значительно расширяется во времени относительно входного импульса, что препятствует передаче импульсных последовательностей с высокими скоростями из-за межсимвольной интерференции (наложения) сигналов. Эта проблема
была отчасти решена разработкой многомодовых волоконных световодов с градиентным профилем показателя преломления (ППП).
Первые оптические линии связи работали с системами передачи
плезиохронной цифровой иерархии (ПЦИ, или PDH). В качестве типовых цифровых трактов PDH в России используются следующие
уровни европейской иерархической системы:
• первичный уровень — скорость передачи 2,048 Мбит/с;
• вторичный уровень — скорость передачи 8,448 Мбит/с;
• третичный уровень — скорость передачи 34,368 Мбит/с;
• четверичный уровень — скорость передачи 139,264 Мбит/с.
Дальнейшая эволюция ВОЛС связана с одномодовым этапом
развития оптических сред передачи (диаметр сердцевины одномодовых оптических волокон — до 10 мкм).
Диаметр сердцевины, соизмеримый с длиной волны передаваемого сигнала, и соотношение показателей преломления сердцевины и оболочки выбраны таким образом, что в ней (сердцевине) может распространяться только одна мода (строго говоря, две моды
с взаимно ортогональными состояниями поляризации). Значительное уменьшение размеров сердцевины потребовало совершенствования технологии производства волокна и, следовательно, повышения
его себестоимости. Однако по мере развития технологии и со стремительным увеличением объёма производства одномодовых волокон
(за счёт эффекта на масштабе) себестоимость их производства в настоящее время ниже, чем многомодовых. Остается преимущество
МОВ в монтаже систем связи.
Одномодовые ОВ позволили значительно повысить за счёт отсутствия межмодовой дисперсии скорость передачи информации:
1981 г. — получена скорость передачи сигнала 140 Мбит/с, соответствующая четверичному уровню цифровой иерархии, на λ2 =
= 1,31 мкм (во втором окне прозрачности) в одномодовом ОВ;
1982 г. — скорость передачи в одномодовом волокне (λ2 =
= 1,31 мкм) достигла 400 Мбит/с.
Переход в третье спектральное окно прозрачности (λ3
=
= 1,55 мкм) дал возможность снизить потери в одномодовых ОВ
до 0,2 дБ/км.

Эволюция и перспективы развития ВОЛС
7
Параллельно с развитием оптических направляющих сред совершенствовались цифровые системы передачи — появились технологии SDH, ATM. Системы синхронной цифровой иерархии (SDH)
стандартизованы в соответствии с Рекомендациями МСЭ-Т и обеспечивают образование синхронных транспортных модулей (STM) со
скоростями: STM-1 — 155,52 Мбит/с; STM-4 — 622 Мбит/с; STM16 — 2,488 Гбит/с; STM-64 — 9,953 Гбит/с; STM-256 — 39,813 Гбит/с.
Однако увеличению скорости передачи в одномодовых системах препятствует хроматическая дисперсия (ХД) в волокнах. ХД,
являясь внутримодовой дисперсией, возникает из-за того, что скорость распространения волны меняется при изменении длины волны. Любой источник генерирует сигнал не на одной длине волны
(λ), а в определённом спектральном диапазоне (Δλ). В результате
различные спектральные составляющие передаваемого сигнала имеют разную скорость распространения, что приводит к их различной
задержке на выходе волокна.
Дальнейшее развитие систем оптической связи обусловило создание нескольких типов одномодовых ОВ, которые можно классифицировать по критерию «хроматическая дисперсия». Различают
стандартные одномодовые волокна (SM), волокна со смещённой дисперсией (DS) и волокна с ненулевой смещённой дисперсией (NZDS).
Длина волны нулевой дисперсии в DS-волокнах лежит в третьем окне прозрачности (λ3 = 1,55 мкм).
Для увеличения дальности передачи информации использовались регенераторы сигнала, которые преобразовывали оптический
сигнал в электрический, восстанавливали его форму, а затем формировали оптический сигнал для дальнейшей трансляции по волокну.
Следующий этап — использование оптических усилителей (ОУ).
ВОЛС с ОУ и волокном G.653 позволили обеспечить скорость передачи информации 40 Гбит/с на расстояние до 100 км и выше.
Оптические усилители открыли качественно новый этап в развитии ВОЛС — появились системы со спектральным уплотнением
по технологии WDM — Wavelength Division Multiplexing. В этой технологии применён метод волнового мультиплексирования, который
предусматривает объединение на передающем конце линии передачи
нескольких оптических несущих ( λi), передачи их одновременно
по одному ОВ с последующим выделением (демультиплексированием) этих несущих на приёмном конце. Таким образом, линейный
тракт как бы делится одновременно на несколько линейных трактов, каждый из которых образован своей несущей λi.
Основные
даты рассматриваемого этапа:

Р а з д е л 1
1993 г. — начало практического использования оптических усилителей;
1995 г. — начало практического использования волоконно-оптических систем со спектральным уплотнением;
1997 г. — разработка оптических мультиплексоров адресного
ввода-вывода.
Первые системы WDM работали в разных спектральных окнах
(втором, λ2 = 1,31 мкм, и третьем, λ3 = 1,55 мкм). Но системы со
спектральным уплотнением более целесообразно использовать в одном окне прозрачности, так как в этом случае один ОУ усиливает все
информационные каналы, расположенные в этом окне. В настоящее
время используются пять оптических диапазонов:
О — первичный диапазон (Original) — 1260...1360 нм;
E — расширенный диапазон (Extended) — 1360...1460 нм;
S — коротковолновый диапазон (Short wavelength) — 1460...
...1530 нм;
C — стандартный диапазон (Conventional) — 1530...1570 нм;
L — длинноволновый диапазон (Long wavelength) — 1570...
...1625 нм.
Шаг оптических несущих частот регламентирован в рекомендациях МСЭ-Т.
Системы WDM разделяются на системы неплотного спектрального уплотнения (CWDM), плотного спектрального уплотнения
(DWDM) и сверхплотного спектрального уплотнения (HDWDM), создание которых осуществлялось уже в начале 2000-х гг. Пропускная
способность достигла 1,6 Тбит/с.
Естественный путь повышения эффективности построения волоконно-оптической системы передачи со спектральным уплотнением — увеличение числа λ-каналов и увеличение скорости отдельных
каналов. При увеличении дальности передачи приходится усиливать оптические сигналы в каждом λ-канале и при большой суммарной мощности в волокне начинают проявляться нелинейные эффекты. При эффекте четырёхволнового смешения (ЧВС) в спектре полезного сигнала появляются составляющие из других каналов, т. е.
перекрёстные помехи. При дешифровании оптических сигналов это
приводит к ошибкам в передаче информации. Четырёхволновое смешение наиболее сильно сказывается в случае равенства скоростей
распространения оптических сигналов в λ-каналах. Поэтому ОВ со
смещённой дисперсией (G.653) не используются в DWDM-системах.
Для уменьшения влияния ЧВС были разработаны волокна со смещённой ненулевой дисперсией (G.655).

Эволюция и перспективы развития ВОЛС
9
На скоростях более 10 Гбит/с появляется проблема, связанные
с ещё одним видом дисперсии — поляризационно-модовой дисперсией (ПМД, PMD).
Как уже указывалось, в одномодовых ОВ одновременно распространяются две ортогонально поляризованные моды. В волокне с
идеально оптически круглой симметричной сердцевиной обе эти моды распространяются с одинаковыми скоростями. Однако в реально
производимых волоконных световодах из-за неизбежной асимметрии сердцевины, а также внутренних напряжений в ОВ рассматриваемые моды имеют разные скорости распространения, что и приводит к PMD. Решение этой проблемы потребовало новых мероприятий в области изготовления волокон, их монтажа и эксплуатации
ВОЛС.
Важным этапом эпохи принципиального совершенствования
стандартного оптического волокна была разработка в 1998 году ОВ
«без пика воды» — Zero Water Peak, в результате чего у волокна G.652, работавшего ранее только в диапазоне длин волн 1310
и 1550 нм, появилось возможность осуществлять передачу в диапазоне от 1270 до 1625 нм [2]. Данный результат был закреплён в
новых редакциях рекомендации G.652 (после 2000 года) введением
новых категорий С/D, отличающихся от предыдущих А/В тем, что
они содержат требования к максимально допустимому затуханию на
«пике воды» (1383 нм), которое не должно превышать 0,4 дБ/км.
Сами категории С и D отличаются между собой только требованиями к ПМД.
Были созданы также специальные конструкции волокна без легирующих добавок в сердцевине с коэффициентом затухания менее
0,15...0,16 дБ/км на длине волны 1550 нм (класс ULL — Ultra Low
Loss — сверхнизкое затухание). Производство таких волокон остаётся весьма дорогим и требует высокой технологичности изготовления.
Ещё одним направлением улучшения стандартного ОВ в последние годы является придание им меньшей чувствительности к
изгибам. Рекомендация G.657 относится к классу волокон, малочувствительных к изгибам.
Такие ОВ особенно востребованы на
сетях доступа.
Экспоненциальный рост потребности в скорости и объёме получения информации, особенно с развитием Интернета, ставил в новом
тысячелетии перед операторами связи задачу увеличения пропускной способности их опорных WDM-систем. Для решения этой проблемы существуют два пути: уменьшать расстояния между канала

Р а з д е л 1
ми и увеличивать канальную скорость. Второй путь — экономически более перспективен [3], так как увеличение канальной скорости
приводит к снижению стоимости и уменьшению энергии, затрачиваемой на передачу единицы информации по сравнению с первым
вариантом.
В оптических системах связи со скоростями до 10 Гбит/с включительно использовались бинарные амплитудные форматы модуляции. Однако при увеличении канальной скорости до 40 Гбит/с потребовалось внедрение новых, более эффективных форматов модуляции. Наиболее перспективными оказались те, которые используют когерентное детектирование [4]. Однако когерентные приёмники и передатчики достаточно дороги и их использование было экономически оправдано в системах с канальной скоростью 100 Гбит/с.
Что касается межканального расстояния (МКР), то при МКР,
равном 50 ГГц, в DWDM-системах можно использовать 80 спектральных каналов в стандартном С-диапазоне. В этом случае получаем скорость передачи информации 8 Тбит/с по одному ОВ при
канальной скорости 100 Гбит/с. Важно отметить, что когерентный
приём и цифровая обработка сигналов позволяют отказаться от специальных компенсаторов дисперсии.
В силу больших территорий и относительно незначительной
плотности населения в России остро стоит технико-экономическая
задача увеличения протяжённости ВОЛС без использования регенерации. Протяжённость линий связи DWDM определяется требуемым отношением сигнал/шум оптического сигнала (OSNR), обеспечивающим уровень ошибок, не превышающий допустимый. Поэтому ключевым параметром экономичности транспондеров является
требуемое OSNR, обеспечивающее работу систем связи с заданным
качеством [5].
В конце 2000-х — начале 2010-х гг. происходило внедрение когерентных систем связи с цифровой обработкой сигналов.
Выводы. Прошло пятьдесят лет с момента появления первых
ВОЛС. Согласно волновой теории русского экономиста Н.Д. Кондратьева — это срок одной длинной конъюнктурной волны в экономическом развитии общества. Развитие ВОЛС пришлось на пятый
технологический уклад (ТУ) и включает в себя несколько этапов.
Каждый этап сопровождался совокупностью базисных инноваций.
Первый этап связан с появлением оптического (ступенчатого,
а затем градиентного) многомодового волокна. В качестве систем
передачи использовались СП плезиохронной цифровой иерархии.