автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.02, диссертация на тему:Разработка конструкций и исследование кабелей для компьютерных сетей

На правах рукописи

АунгХаингУ

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ И ИССЛЕДОВАНИЕ КАБЕЛЕЙ ДЛЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ

Специальность 05.09.02 - электротехнические материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МАП Ш1

Москва - 2012

005016179

005016179

Работа выполнена на кафедре «Физики электротехнических материалов и компонентов и автоматизации электротехнологических комплексов» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национального исследовательского университета «МЭИ».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Ведущая организация: Всероссийский электротехнический институт им. В.И. Ленина (г. Москва).

Защита состоится "18" мая 2012 г., в 13 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.15 при ФГБОУ ВПО «Национального исследовательского университета «МЭИ» по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 13, в аудитории Е-205.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Национального исследовательского университета «МЭИ»

Автореферат разослан " ^ " апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Официальные оппоненты:

Боев Михаил Андреевич Ларин Юрий Тимофеевич доктор технических наук заведующий отделом ОАО «ВНИИКП» Микилев Александр Иосифович кандидат физико-математических наук директор по маркетингу Российского филиала ОФС Файтел

Боровкова А.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Объединение компьютеров в пределах одного здания или нескольких близко стоящих зданий для предоставления пользователям доступа к информационным услугам серверов называют локальной вычислительной сетью (ЛВС). Хотя существуют сети, где возможна передача данных по радиоканалам, так называемая технология большинство ЛВС в качестве передающей среды используют кабель. Кабельные ЛВС лучше защищены от постороннего несанкционированного проникновения. Чаще всего, в настоящее время, кабель имеет медную жилу, и передача информации происходит с помощью электрических сигналов. Вместе с тем, все большую популярность приобретают оптические кабели (ОК), в которых информацию передают с помощью инфракрасных световых импульсов по оптическому волокну (ОВ). Считается, что ОВ является самой совершенной физической среды для передачи инфракрасных импульсов, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. Не смотря на то, что стоимость кабелей составляет малую часть от общей стоимости ЛВС, около 6 % и обычно кабель является самым долгоживущим элементом сети, свойства этого элемента определяют надежность, скорость и качество передачи информации. Сервера и другие компоненты сети могут многократно меняться, прежде чем будут заменены кабели. В процессе монтажа и эксплуатации кабели подвергают механическим и климатическим воздействиям, что в значительной степени определяет их долговечность. Поэтому разработка надежных конструкций внутриобъекговых ОК является актуальной задачей.

Исследованию влияния механических и климатических факторов на свойства ОК посвящены работы таких зарубежных и отечественных ученых как Мальке Г., Гёссинг П., Гроднев И. И., Ларин Ю. Т., Портнов Э.Л. и других.

Цель работы заключается в разработке конструкции и проведении

исследования влияния механических и климатических воздействий на передаточные характеристики ОК для компьютерных сетей. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- определить уровень внешних механических и климатических воздействий на кабели для компьютерных сетей, возникающих при монтаже и эксплуатации;

- разработать дизайн кабелей для компьютерных сетей и изготовить опытные образцы;

- провести исследования влияния внешних воздействий на передаточные характеристики ОК;

Методы исследования. В работе использован ранее накопленный опыт автора по конструированию и расчету свойств ОК. Экспериментальные исследования осуществляли на реально сконструированных и изготовленных образцах кабеля. Проводили моделирование внешних воздействий с помощью специального испытательного оборудования, а так же имитацию работы ОК в экстремальных условиях путем моделирования основных воздействующих факторов. При проведении расчетов использовали современный математический аппарат и вычислительную технику.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. В процессе теоретического и экспериментального исследования изменения затухания сигнала в ОВ при внешних механических и тепловых воздействиях на локальных участках ОК разработан метод измерения, позволяющий получать сопоставимые результаты для оценки уровня воздействия, основанный на измерении значения коэффициента затухания.

2. В процессе исследования работоспособности ОК в условиях воздействия факторов пожара впервые получена зависимость затухания в ОВ от температуры пламени и установлена возможность кратковременного

сохранения работоспособности ОВ при температуре до 1000 °С. При этом показано, как изменяются механические свойства ОВ.

3. Путем моделирования внешних воздействий установлены предельные значения механических и тепловых нагрузок на ОК, предназначенные для фиксированного монтажа ЛВС, который содержит одно ОВ, уложенное в кабеле без «избыточной длины».

4. При циклическом изменении тепловых и механических нагрузок, воздействующих на ОК, установлены аналитические зависимости изменения затухания в ОВ в зависимости от величины нагрузки.

Практическая значимость исследования. Результаты диссертационной работы использованы в производстве ОК. Представленные в работе конструкции ОК внедрены и серийно изготавливаются на предприятии ООО "Еврокабель 1".

Апробация работы. Основные научные и технические результаты были представлены на следующих конференциях: 13-я международная конференция «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (Крым, Алушта, 2010 г.); 17-я и 18-я международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов (Москва, МЭИ (ТУ), 2011 г. и 2012 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 6 печатных забот: из них 3 статьи, 3 тезисов докладов в сборниках трудов международных мучных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из ¡ведения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы из 107 тименований, и содержит 110 страниц машинописного текста, 51 рисунок, 45 [юрмул и 15 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность данного исследования, сформулирована цель работы, основные положения, выносимые на защиту, изложена научная новизна, практическая ценность и реализация результатов работы.

В первой главе дано определение понятия ЛВС и сделан анализ современных конструкций кабелей, пригодных для применения в ЛВС. Сетевой кабель составляет малую часть ЛВС и является самым долгоживущим элементом. Для ЛВС могут быть использованы кабели трех типов: коаксиальные, с витыми парами и с ОВ.

Коаксиальный (coaxial) кабель имеет симметричную относительно центральной оси конструкцию, состоящую из внутренней, как правило, медной жилы, изоляции и внешнего проводника, выполненного в виде оплетки из проволоки или обмотки из проволоки или из металлической ленты. Внутренний проводник может быть как одно-, так и многопроволочным. Внешний проводник защищен от непосредственного воздействия окружающей среды полимерной защитной оболочкой. Несмотря на возможность работы при достаточно высокой частоте до 1 ГТц, эти кабели имеют большое затухание на более высоких частотах.

Кабели с витой парой (twisted pair) изготавливают нескольких категорий в зависимости от частоты передаваемого сигнала. Простейшие кабели представляют собой пару медных изолированных проводников, скрученных между собой с определенным шагом. Здесь применяют и разнонаправленную скрутку, так называемую SZ скрутку. Скручивание проводов снижает влияние внешних и взаимных помех на полезные сигналы, передаваемые по кабелю. Это неэкранированные кабели (Unshielded Twistedpair, UTP) 5-й категории, предназначенные для передачи сигналов частотой до 100 МГц. Кабели с витой

парой изготавливают и в экранированном варианте, когда пару обертывают в металлизированную полимерную пленку. Это кабели 6-й и 7-й категории (Shielded Twistedpair, STP), предназначенные для передачи сигналов частотой, соответственно, до 250 МГц и до 600 МГц. Не смотря на достаточно хорошие частотные характеристики витой пары, с увеличением расстояния передаточные характеристики такого вида кабелей резко падают скорость передачи информации из-за внешних помех.

Традиционно компьютерные сети строят на основе кабелей с витыми парами и коаксиальными, но эти сети уже не в полной мере удовлетворяют современным требованиям в отношении пропускной способности, помехозащищенности, скрытности и дальности связи. Эти обстоятельства диктуют необходимость перехода к новому типу направляющей системы электромагнитных колебаний - ОК.

Оптический кабель (optical fiber) содержит в своей конструкции тонкие диаметром 250 мкм ОВ, по которым распространяются сигналы инфракрасного света. Это наиболее эффективный способ передачи информации, который обеспечивает передачу данных на частоте 1,9-10иГц со скоростью до 10 Гбит/с и выше, кроме того ОК лучше других типов передающей среды обеспечивает защиту данных от внешних помех. Различие ОК, с точки зрения передачи информации, лежит в выборе ОВ, принципиальным является использование одномодовых (SMF) и многомодовых (MMF) волокон.

В настоящее время выпускают ОК связи специально предназначенные фокяадки внутри зданий и помещений, которые называют внутриобъектовыми [ по условиям применения их классифицируют так:

• распределительные,

• станционные (монтажные).

Внутриобъектовыми ОК в основном являются кабели, используемые для аспределения, подключения и коммутации оптических цепей

(распределительные ОК и оптические шнуры). Внутриобъектовые ОК могут применять также для концевой заделки ОК наружной прокладки. Внутриобъектовык ОК выпускают как с одномодовыми ОВ (БШ7), так и с многомодовыми (МШ), а также могут содержать разнотипные ОВ. В качестве многомодовых используют ОВ с диаметром сердцевины 50 мкм, соответствующие рекомендациям МСЭ-Т С.651, и ОВ с диаметром сердцевины 62,5 мкм, при этом ОВ первого типа все больше и больше вытесняют ОВ второго типа. Внутриобъектовые ОК не содержат металлических конструктивных элементов, что исключает необходимость решения вопросов электромагнитной совместимости и электробезопасности применения этих кабелей; в качестве силовых элементов внутриобъектовых ОК преимущественно используют арамидные нити.

Основные области применения ОК в ЛВС определяются в первую очередь высокой пропускной способностью, нечувствительностью ОК к электромагнитным воздействиям и большой дальностью связи. Способы прокладки ОК внутри зданий и помещений разработаны как для ЛВС, так и других внутренних. систем передачи данных, включая реализацию высокоскоростного широкополосного цифрового доступа.

Во второй главе приведено технология и оборудование, используемое при изготовлении и испытаниях ОК. Производство внутриобъктового кабеля разработанной конструкции осуществляли с применением одномодового ОВ стандарта 0652, арамидных нитей и негорючей полиолефиновой композиции. При этом использовали технологическое оборудование: линию ОРР-Н фирмы "Мейек & БсЬогпег" для окраски волокна, линию Ш^-ЦУ-Ав фирмы "11о8епс1аЫ" для обмотки заготовки кабеля высокопрочными арамидными нитями и экструзионную линию И^ЬМ для наложения оболочки.

Для измерения передаточных характеристик ОВ использовали рефлектометры типа Айегпа МТБ 8000. Соединения ОВ для последующей

проверки качества сварки проводится с помощью сварочного аппарата Fujikura FSM 40S. Для измерения физико-механических свойств материалов, стойкость ОК к растягивающему усилию с помощью испытательной установки с максимальным растягивающим усилием 100 кН по ГОСТ Р МЭК 794-1 (метод Е1) на строительной длине ОК Растяжение осуществляли путем приложения нагрузки ступенями, каждый раз увеличивая нагрузку на 100 Н, на специальной установке для испытаний на растяжение и раздавливание типа РРК-ЕК2. и раздавливанию с помощью разрывной машины марки H5KS фирмы Hounsfield по ГОСТ Р МЭК 794-1 (метод ЕЗ), позволяющая определять величину разрывного усилия материалов до 5 кН, к осевому кручению с помощью испытательной установки на скручивание на специальной установке типа СК-ЕК2 по ГОСТ Р МЭК 794-1 (метод Е7), Скручивание осуществляли ступенями по 360 градусов на специальной установке для испытаний на скручивание типа СК-ЕК2. к удару с помощью испытательной установки на удар на специальной установке типа СУ-ЕК2 по ГОСТ Р МЭК 794-1 (метод Е4). Проверку стойкости ОК к климатическим воздействиям проводят в климатической камере Challenge СН1200С фирмы Angelantoni, диапазон работы которой от минус 70 °С до 180 °С, с неравномерностью температуры при установившемся тепловом режиме ±1 °С. Также данная камера позволяет проводить испытания кабеля на стойкость к воздействию повышенной влажности до 98 % при любых заданных положительных температурах. Испытания ОК на стойкость к воздействию пониженной, повышенной рабочей температуры и циклической смене температур проводят по ГОСТ Р МЭК 794-1 (метод F1) на строительной длине не менее 1000 м.

В третьей главе представлены теоретические исследования влияния длины линии и температуры на результаты измерения затухания. Затухание в волокне А(1) является мерой того, как импульс света распространяется вдоль

волокна и сколько энергии теряет входной импульс Рт, это определяется по формуле:

А(Х) = -101Од^ дБ

' (1)

где Рвых - энергия импульса на выходе.

Коэффициент затухания, или затухание на единицу длины волокна £, не подвергнутого внешним воздействиям а'(Я), не зависит, от длины волокна, и рассчитывают так:

дБ/км (2)

Затухание на коротких участках а "(Я), где происходят внешние воздействия на ОВ, рассчитывают по следующему выражению:

<Г(А) = -р дБ/км (з)

где 1 — длина участка внешних воздействий.

Тогда, коэффициент затухания а (Л), определяемый в ходе проведенных исследований, является величиной аддитивной, определенный из соотношения:

Ь (4)

Отсюда следует, что абсолютное значение величины коэффициента затухания при исследовании учитывает влияние локальных внешних воздействий на ОК и позволяет оценить уровня этого влияния по величине приращения коэффициента затухания в результате этого воздействия.

Для ОК важным является не продолжительное сохранение работоспособности в условиях воздействия пламени.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальные исследования влияния механических и климатических воздействий на характеристики ОК для ЛВС. Объектом исследования явлется разработанный в ходе данного исследования внутриобъектовый ОК, которому присвоено

и

обозначение (марка) ОВН-1А-0,3 LS-HF. Этот кабель имеет одно одномодовое ОВ, изготовленное в соответствие с требованиями спецификации G652 МСЭ-Т, с буферным покрытием (tight buffer) из поливинилхлоридного пластиката, плотно нанесенным непосредственно на волокно, при этом наружный диаметр ОВ с покрытием, стал равным 900 мкм. Оболочка кабеля выполнена из полимерного материала, нераспростняющего горение, не содержащего

галогенов с низким дымо- и газовыделением. Между ОВ с буферньм покрытиям и оболочкой проложены три арамидные нити линейной плотностью I 1610 дтекс, которые предназначены для создания необходимой механической прочности при воздействии растягивающих нагрузок. На рис. 1 приведена конструкция этого кабеля.

Проверка стойкости к механическим воздействиям включала испытания на растяжение, сжатие, осевое кручение и удар. При проведении испытаний контролировали затухание на участке кабеля, подвергнутого тому или иному воздействию. Длина этого участка приведена в каждой методике испытаний. Затем измеряли значение затухания на строительной длине кабеля, которая составляла 2,5 км, и рассчитывали коэффициент затухания.

оптический волокно

плотное буферное покрытие (tight buffer) 900мкм

упрочняющие арамидные нити

оболочка из полимерного материала не распросгранняющего горение или из безгалогенного материала с низким дымовыделением

Рис. 1. Конструкция кабеля марки ОВН-1А-0,3 LS-HF

Испытание кабелей на стойкость к растяжению проводили по ГОСТ Р МЭК 794-1 (метод Е1) на строительной длине, при этом длина растягиваемого участка кабеля составляла 70 м. Кабель подвергали растяжению со скоростью около 100 мм/мин. Полученные при растяжении результаты измерения затухания приведены на рис. 2, из которого видно, что предельно допустимое значение затухания 0,22 дБ/км возникает при увеличении нагрузки при растяжении более 500 Н.

♦ нагрузка ■ разгрузка

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Растягивающая нагрузка, Н

Рис. 2. Зависимость коэффициента затухания в ОВ кабеля марки ОВН-1 А-0,3 LS-HF от растягивающей нагрузки.

Аналитическая зависимость коэффициента затухания от растягивающей нагрузки имеет вид:

а(Р) = а2Р2 + агР + а0 (5)

где 02=4*10"8 дБ/(км-Н2); ах = -1*10'5 дБ/(кмН); а0= 0,213 дБ/км. Испытание кабелей на стойкость к раздавливанию проводят по ГОСТ Р МЭК 794-1 (метод ЕЗ) то же на строительной длине кабеля, при этом длина

участка, на котором производили раздавливание, составляла 10 см. Измерение затухания и порядок приложения нагрузки аналогичен испытанию на растяжение. Полученные при сжатии результаты измерения затухания приведены на рис. 3, из которого видно, что при приложении нагрузки происходи рост затухания. Предельно допустимое значение коэффициента затухания 0,22 дБ/км возникает при увеличении нагрузки сжатия, рассчитанной на 1 см длины кабеля (приведенная нагрузка), более 500 Н/см.

♦ нагрузка ■разгрузка

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Приведенная нагрузка, Н/см

Рис. 3. Зависимость коэффициента затухания в ОВ кабеля марки ОВН-1А-0,3 LS-HF от раздавливающей нагрузки. Аналитическая зависимость коэффициента затухания от раздавливающей нагрузки имеет вид:

аСР) = а3Р3 н- а2Р2 + агР + а0 (6)

где д3= -2ХЮ"10 дБ/(км-Н3); а2 = ЗхЮ"7 дБ/(км-Н2); а, = -6х10"5 дБ/(км-Н); а0= 0,187 дБ/км.

Испытание кабелей на стойкость к осевому кручению проводят по ГОСТ Р МЭК 794-1 (метод Е7) на строительной длине, при этом длина участка, на котором производили скручивание составляла 4 м, масса натяжного груза

составляла 5 кг. Вначале кручение производили по часовой стрелке до роста коэффициента затухания более чем в 20 раз превышающее исходное значение. Затем производили кручение в другую сторону, так же до роста коэффициента затухания более чем в 20 раз превышающее исходное значение. Полученные при кручении результаты измерения затухания приведены на рис. 4, из которого видно, что при приложении нагрузки происходи рост затухания. Предельно допустимое значение коэффициента затухания 0,22 дБ/км возникает при увеличении нагрузки при растяжении более 500 Н.

-Дь а.2

, 0-1 ♦ » >

3.96 -I 3.74 Й 3.52 1 3-3 \

I 3.08

| 2.86 « 2 64

н 2.42

5 2.2

tl.98 -I 1.76 f 1.54 -

6 1.32 -

1.1 -

0 88 -0.66 -

0.44 -

-6-

, 0.1 -» » » -

а.2

-14400 -10800 -7200 -3600 0 3600 7200 10800 14400 Угол скручивания, градусов

Рис. 4. Зависимость коэффициента затухания в ОВ кабеля марки ОВН-1А-0,3 ЬБ-ПР при осевом кручении Аналитическая зависимость коэффициента затухания от угла (/?) скручивания при осевом кручении имеет вид:

[«! при <10800°

(7)

«(Ю = (

а(2+Ь при > 10800°

где а--9x10 дБ/(км-град.); Ъ- 1,299 дБ/км.

Испытание кабелей на стойкость к удару проводили согласно требованиям ГОСТ Р МЭК 794-1 (метод Е4). Энергию удара (Б) рассчитывали исходя из массы ударяемого груза (т), высоты падения и ускорения свободного падения (д] по уравнению:

Затухание измеряли в режиме реального времени, полученные данные | приведены на рис. 5. Из графика видно, что в момент удара происходит рост коэффициента затухания тем больше, чем выше энергия удара. 0.23 !

0.17 -I-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,

о 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5 25 Эвергня, кДж

Рис. 5. Зависимость коэффициента затухания в ОВ кабеля марки ОВН-1 А-0,3 ЬЗ-НБ от энергии удара Аналитическая зависимость коэффициента затухания от энергии удара имеет вид:

а(£) = аЕ + Ь (9)

где а = 0,001 дБ/(км-кДж); Ъ = 0,182 дБ/км.

Проверка стойкости кабеля к климатическим воздействиям включала воздействие пониженной и повышенной температуры (7). Испытание кабеля на

Е — тдЪ

(8)

♦

И 0.18 -

стойкость к воздействию изменения температуры проводили по ГОСТ Р МЭК 794-1 (метод Р1) на той же строительной длине кабеля.

1

♦ охлаждение

■ нагрев

Температура, °С

Рис. б. Зависимость коэффициента затухания в ОВ кабеля марки ОВН-1 А-0,3 ЬБ-НГ от пониженной температуры.

• охловденне ■яагрея

40 50 «0

Темпера-тура, °С

Рис. 7. Зависимость коэффициента затухания в ОВ кабеля марки ОВН-1 А-0,3 ЬБ-НР от повышенной температуры.

На рис. 6 и 7 приведены зависимости коэффициента затухания от температуры кабеля. Из графиков видно, что нагрев и охлаждение приводять к росту затухания. Если задаться предельно допустимым значением коэффициента затухания 0,22 дБ/км, то температурный диапазон эксплуатации кабеля составляет от минус 10 до 50 °С.

Аналитическая зависимость коэффициента затухания от температуры имеет вид:

где а4 = ЗхЮ"9 дБ/(км-К4); а3= -9х10-7 дБ/(км-К3); а2= 9х10"5 дБ/(км-К2); сц = -0,002 дБ/(км-К); а0= 0,202 дБ/км. Требования пожарной безопасности к кабельным изделиям изложены в ГОСТ Р 53315-2009 «Кабельные изделия. Требования пожарной безопасности». Для ОК важным является не продолжительное сохранение работоспособности в условиях воздействия пламени.

а(Т) = а4Т* + а3Т3 + а2Т2 + агТ+ а,

•о

(10)

Г2.02

а п к

5 0.2 -

о

О 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 110012001300 Температура, °С

Рис. 8. Зависимость коэффициента затухания в ОВ кабеля от температуры

На рис. 8 представлена зависимость коэффициента затухания в ОВ нагретого до различной температуры. Анализ этой зависимости показывает, чтс прирост коэффициента затухания начинается при температуре свыше 1000 °С Естественно, что в этих условиях разрушаются все защитные покрытия, которые использованы в конструкции исследуемого ОК.

Аналитически полученную зависимость можно представить следующим образом:

если Т=Т\, то а~а\, если 7=7*2, то а=я2;

' «1 при Г£1000°С

у ' -——Х<Т-Т1'} + а1 при Г > 1000°С иГ2 > Т,

КТ*~Т1 (11)

где Г-температура

Таким образом, проведенные исследования позволили определить основные механические и климатические свойства ОК, предназначенных для ЛВС, а так же определить поведение таких кабелей в условиях воздействия пламени.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Выполнен обзор современных компьютерных сетей и требований к ним, из которого следует, что для обеспечения все возрастающих требований необходимо применение в этих сетях ОК.

2. В ходе выполнения работы создан новый дизайн ОК, отвечающий современным требованиям, для компьютерных сетей, конструкция которого содержит одно одномодовое ОВ, покрытое буферньм слоем из поливинилхлоридного пластиката. Кабель так же содержит арамидные нити для предания механической прочности и внешнюю полимерную

оболочку. Оболочка изготовлена из специальных полимеров, не содержащих галогенов с низким дымо- и газовыделением.

3. Разработан метод измерения, позволяющий получать сопоставимые результаты для оценки уровня воздействия, основанный на измерении значения коэффициента затухания при внешних механических и тепловых воздействиях на локальных участках ОК.

4. Снята зависимость затухания в ОВ от температуры пламени в процессе исследования работоспособности ОК в условиях воздействия факторов пожара и установлена возможность кратковременного сохранения работоспособности ОВ при температуре до 1000 °С.

5. Определены предельные значения механических и тепловых нагрузок на ОК, предназначенные для фиксированного монтажа ЛВС, содержащие одно ОВ, уложенное в кабеле без «избыточной длины», при этом критерием работоспособности являлось допустимое изменение коэффициента затухания в ОВ, не выше установленного нормативной документацией.

6. Получены аналитические зависимости изменения затухания в ОВ при циклическом изменении тепловых и механических нагрузок, воздействующих на ОК.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ . Боев М.А., Аунг Хаинг У. Кабели для компьютерной сети. // 13-я Международная конференция электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты. 19-25 сентября 2010. Труды. -Крым, Алушта. МКЭЭЭ-2010.: С. 31.

Аунг Хаинг У, асп.; рук. М.А. Боев, д.т.н., проф. Допустимые значения параметров оптических кабелей компьютерных сетей И 17-я Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов.

Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. 24-25 февраля 2011. Тезис] докладов. Т. 2. - М.: Издательский дом МЭИ. 2011.С.34-36.

3. М.А. Боев., Аунг Хаинг У. Механические и климатические свойств оптических кабелей для ЛВС. «Вестник связи», № 8,2011 г. С. 41-44.

4. Аунг Хаинг У, асп.; рук. М.А. Боев, д.т.н., проф. Пожаробезопасност оптических кабелей для локальной вычислительной сети // 18-: Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. 1-2 марта.2012. Тезись докладов. Т. 2. - М.: Издательский дом МЭИ. 2012. С. 207.

5. М.А Боев, Аунг Хаинг У. Исследование влияния механических I климатических воздействий на характеристики оптических кабелей дш локальной вычислительной сети. «Вестник МЭИ», № 1,2012 г. С. 75-77.

6. М.А Боев, Аунг Хаинг У. Исследование влияния внешних факторов не оптические кабели, подводящие волокно в дом. «Первая миля», № 1, 2012 г С. 10-13.

Подписано в печать 10, М- М С Зак. б Тир. ДО 0 П.л. 1А Полиграфический центр МЭИ(ТУ) Красноказарменная ул.д. 13

61 12-5/2484

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ»

На правах рукописи

Аунг Хаинг У

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ И ИССЛЕДОВАНИЕ КАБЕЛЕЙ ДЛЯ

КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ

Специальность 05.09.02 — электротехнические материалы и изделия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор М.А Боев

Москва-2012

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ И КОНСТРУКЦИИ КАБЕЛЕЙ, ПРИГОДНЫХ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В ЛОКАЛЬНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ..........................................................................7

1.1. Понятие локальной вычислительной сети.........................................7

1.1.1. Преимущества использования ЛВС.........................................................................8

1.1.2. Стандарты на кабельные системы локальной вычислительной сети...................9

1.2. Сетевой кабель.......................................................................................11

1.2.1. Коаксиальный кабель..............................................................................................13

1.2.2. Витая пара................................................................................................................18

1.2.3. Оптический кабель..................................................................................................27

1.3. Оптическая кабельная система для прокладки внутри зданий и помещений.........................................................................................................60

ГЛАВА 2. ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ, ИСПОЛЬЗУЕМОЕ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ И ИСПЫТАНИЯХ ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ 66

2.1 Выбор материалов, оборудования и технологии для производства внутриобъектовых ОК......................................................................................66

2.1.1. Окраска ОВ и наложение защитного покрытия...................................................69

2.1.2. Изготовление оболочки и наложение арамидных нитей.....................................70

2.2. Оборудование для измерения передаточных характеристик ОВ. (Рефлектометрия в ОВ).....................................................................................71

2.3. Оборудование для испытания на стойкость к механическим воздействий........................................................................................................75

2.4. Оборудование для испытания на стойкость к климатическим воздействий........................................................................................................78

2.5. Оборудование для испытания на пожарную безопасность..........79

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ДЛИНЫ ЛИНИИ И ТЕМПЕРАТУРЫ НА РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЗАТУХАНИЯ........................................................................................................81

3.1. влияние длины на качество и скорость передачи информации. ..81

3.1.1. Затухание сигнала в ОВ..........................................................................................81

3.2. Влияние длины линии на пропускную способность линии..........82

3.3. Влияние температуры на затухание в оптических волокнах......86

3.4. Влияние механических усилий..........................................................88

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ И КЛИМАТИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ ДЛЯ ЛОКАЛЬНОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ...........................................................................91

4.1. Исследуемая конструкция оптических кабелей.............................91

4.2. Измерение параметров оптических кабелей при механических воздействиях.....................................................................................................92

4.3. Измерение параметров оптических кабелей при климатических воздействиях.....................................................................................................98

4.4. Испытания оптических кабелей в условия воздействия пламени 100

ВЫВОДЫ 102

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................103

ПРИЛОЖЕНИЕ.................................................................................................111

Введение

Актуальность темы. Объединение компьютеров в пределах одного здания или нескольких близко стоящих зданий для предоставления пользователям доступа к информационным услугам серверов называют локальной вычислительной сетью (ЛВС). Хотя существуют сети, где возможна передача данных по радиоканалам, так называемая технология й, большинство ЛВС в качестве передающей среды используют кабель. Кабельные ЛВС лучше защищены от постороннего несанкционированного проникновения. Чаще всего, в настоящее время, кабель имеет медную жилу, и передача информации происходит с помощью электрических сигналов. Вместе с тем, все большую популярность приобретают оптические кабели (ОК), в которых информацию передают с помощью инфракрасных световых импульсов по оптическому волокну (ОВ). Считается, что ОВ является самой совершенной физической среды для передачи инфракрасных импульсов, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. Не смотря на то, что стоимость кабелей составляет малую часть от общей стоимости ЛВС, около 6 % и обычно кабель является самым долгоживущим элементом сети, свойства этого элемента определяют надежность, скорость и качество передачи информации. Сервера и другие компоненты сети могут многократно меняться, прежде чем будут заменены кабели. В процессе монтажа и эксплуатации кабели подвергают механическим и климатическим воздействиям, что в значительной степени определяет их долговечность. Поэтому разработка надежных конструкций внутриобъектовых ОК является актуальной задачей.

Исследованию влияния механических и климатических факторов на свойства ОК посвящены работы таких зарубежных и отечественных ученых как Мальке Г., Гёссинг П., Гроднев И. И., Ларин Ю. Т., Портнов Э.Л. и других.

Цель работы заключается в разработке конструкции и проведении исследования влияния механических и климатических воздействий на передаточные характеристики ОК для компьютерных сетей. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- определить уровень внешних механических и климатических воздействий на кабели для компьютерных сетей, возникающих при монтаже и эксплуатации;

- разработать дизайн кабелей для компьютерных сетей и изготовить опытные образцы;

- провести исследования влияния внешних воздействий на передаточные характеристики ОК;

Методы исследования. В работе использован ранее накопленный опыт автора по конструированию и расчету свойств ОК. Экспериментальные исследования осуществляли на реально сконструированных и изготовленных образцах кабеля. Проводили моделирование внешних воздействий с помощью специального испытательного оборудования, а так же имитацию работы ОК в экстремальных условиях путем моделирования основных воздействующих факторов. При проведении расчетов использовали современный математический аппарат и вычислительную технику. Научная новизна работы заключается в следующем:

1. В процессе теоретического и экспериментального исследования изменения затухания сигнала в ОВ при внешних механических и тепловых воздействиях на локальных участках ОК разработан метод измерения, позволяющий получать сопоставимые результаты для оценки уровня воздействия, основанный на измерении значения коэффициента затухания.

2. В процессе исследования работоспособности ОК в условиях воздействия факторов пожара впервые получена зависимость затухания в ОВ от температуры пламени и установлена возможность кратковременного сохранения работоспособности ОВ при температуре до 1000 °С. При этом показано, как изменяются механические свойства ОВ.

3. Путем моделирования внешних воздействий установлены предельные значения механических и тепловых нагрузок на ОК для ЛВС, содержащих от одного до нескольких ОВ, уложенных в кабеле без «избыточной длины», и предназначенные для фиксированного монтажа.

4. При циклическом изменении тепловых и механических нагрузок, воздействующих на ОК, установлены аналитические зависимости изменения затухания в ОВ в зависимости от величины нагрузки.

Практическая значимость исследования. Результаты диссертационной работы использованы в производстве ОК. Представленные в работе конструкции ОК внедрены и серийно изготавливаются на предприятии ООО "Еврокабель 1".

Апробация работы. Основные научные и технические результаты были представлены на следующих конференциях: 13-я международная конференция «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (Крым, Алушта, 2010 г.); 17-я и 18-я международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов (Москва, МЭИ (ТУ), 2011 г. и 2012 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ: из них 3 статьи, 3 тезисов докладов в сборниках трудов международных научных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы из 107 наименований, и содержит 110 страниц машинописного текста, 51 рисунок, 40 формул и 25 таблиц.

Глава 1. Анализ параметров и конструкции кабелей, пригодных для применения в локальных вычислительных сетях

1.1. Понятие локальной вычислительной сети

Все мы знаем, что такое ЛВС. "Локальность" сети определяют некие средние параметры, являющиеся основными характеристиками существующих в настоящее время ЛВС. В основном, это касается расстояний между абонентами (от нескольких десятков до нескольких сотен метров) и случаев максимального удаления абонентов (до нескольких километров). ЛВС является объединение компьютеров в пределах одного здания или нескольких близко стоящих зданий для предоставления пользователям сети доступа к информационным услугам локальных серверов [1]. Хотя существуют сети, которые для передачи данных применяют радиопередачу и другие виды беспроводных технологий, подавляющее большинство ЛВС в качестве передающей среды используют кабель. Чаще всего в настоящее время это кабель с медной жилой для переноса электрических сигналов, но ОК с ОВ, по которому передаются световые импульсы, начинает приобретать все большую популярность. Именно о кабелях, используемых в вычислительных сетях, пойдет речь в данной работе.

Работы по созданию ЛВС начались еще в 60-х годах с попытки внести новую технологию в телефонную связь. Эти работы не имели серьезных результатов вследствие дороговизны и низкой надежности электроники. В начале 70-х годов в исследовательском центре компании "Xerox", лабораториях при Кембриджском университете и ряде других организаций было предложено использовать единую цифровую сеть для связи мини-ЭВМ. Использовалась шинная и кольцевая магистрали, данные передавали пакетами со скоростью более 2 Мбит/с [2].

В конце 70-х годов появились первые коммерческие реализации ЛВС: компания "Prime" представила ЛВС "RingNet", компания "Datapoint" - ЛВС "Attached Resource Computer" (ARC) с высокоскоростным коаксиальным кабелем. В 1980 году в институте инженеров по электротехнике и электронике IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) организован комитет "802" по стандартизации ЛВС. В дальнейшем темпы развития ускорились, и на сегодняшний день имеется большое количество коммерческих реализаций ЛВС [3].

1.1.1. Преимущества использования ЛВС

Объединение персональных компьютеров в виде локальной вычислительной сети дает ряд преимуществ [4]:

• разделение ресурсов, которое позволяет экономно использовать дорогостоящее оборудование, например, лазерные принтеры, со всех присоединенных рабочих станций;

• разделение данных, которое предоставляет возможность доступа и управления базами данных и элементами файловой системы с периферийных рабочих мест, нуждающихся в информации. При этом обеспечивается возможность администрирования доступа пользователей соответственно уровню их компетенции;

• разделение программного обеспечения, которое предоставляет возможность одновременного использования централизованных, ранее установленных программных средств;

• разделение ресурсов процессора, при котором возможно использование вычислительных мощностей для обработки данных другими системами, входящими в сеть.

1.1.2. Стандарты на кабельные системы локальной вычислительной сети

В июле 1991 г. был принят американский стандарт EIA/TIA-568, а затем появились дополняющие его документы: TSB 36 (ноябрь 1991 г.) и TSB 40А (январь 1994 г.) - Категории для кабелей и соединителей соответственно.

В настоящее время существуют три стандарта на кабельные системы для ЛВС: международный ISO/IEC 11801, европейский EN 50173 и американский ANSI/TIA/EIA-568A, которые вышли в свет в 1995 г.

Версия стандарта ANSI/TIA/E1A-568A, объединяет отдельные области, охватываемые американским стандартом 1991 года и дополняющими его документами: TSB 36 и TSB 40А, и называют Commercial Building Telecommunications Cabling Standard. Кабели и линии проводки в этом стандарте разделены на категории 3, 4 и 5; Категории 1 и 2, имевшиеся в предыдущем стандарте, исключены. Другие изменения состоят в том, что все спецификации отнесены к 100 м кабеля, а не к 1000 футам, с добавлением параметра «структурные возвратные потери». Приведены испытательные процедуры для соединительного оборудования, а также сведения по характеристикам соединительных шнуров.

Определение категорий кабельных систем относится к набору электрических характеристик, определяющих производительность трактов неэкранированной витой пары. Основными действующими категориями кабельной проводки медной неэкранированной витой пары, определёнными международным стандартом ISO/IEC 11801 и американским стандартом EIA/TIA 568А, в настоящее время являются 3-я и 5-я категории. Третья категория имеет характеристики, позволяющие осуществлять передачу данных на скорости до 10 Мбит/с. Пятая категория имеет характеристики, позволяющие осуществлять передачу данных на скорости до 100 Мбит/с для

синхронной передачи и до 155 Мбит/с для асинхронной передачи.

Новый бюллетень TSB-95, в котором специфицированы дополнительные параметры для уже установленных кабельных систем Категории 5, определяет параметры, соблюдение которых необходимо для работы Gigabit Ethernet 1000Base-T на медных кабельных системах категории 5. К ним относятся: возвратные потери (return loss), переходное затухание на дальнем конце (FEXT), задержка (delay), разброс задержки (delay skew).

Там же указаны требования к полевым кабельным тестерам Уровня II (Level II), необходимые для измерения указанных дополнительных параметров. Для того чтобы убедиться, что уже установленная кабельная система Категории 5 сможет поддерживать Gigabit Ethernet 1000Base-T, потребуется выполнить ее дополнительную сертификацию по TSB-95 с помощью соответствующего кабельного тестера. Многие производители кабельных тестеров (Microtest, Scope, Fluke и т.д.) уже выпустили программные усовершенствования для своих устройств для сертификации кабельных систем на Gigabit Ethernet.

Международные организации International Standards Organization (ISO) и International Electrotechnical Comission (IEC) учредили объединённый технический комитет (JTC), в состав которого входит рабочая группа (WG) N3, разработавшая стандарт ISO/IEC 11801: Information Technology - Generic Cabling for Customer Premises (ISO/IEC JTC 1/SC25/WG3 11801), или 11801. Стандарт Gigabit Ethernet предъявляет к кабельной системе дополнительные требования, не определённые в стандарте на характеристики 5-й категории. В настоящее время ведется активная работа по дополнению стандартов EIA/TIA 568А и IS 11801 спецификациями на новые кабельные Категории: расширенная 5-я и 6-я. Обе новые спецификации существуют пока только в предварительном виде, хотя принятие соответствующих стандартов планировалось ещё в 1998 г. Так же ведутся теоретические разработки стандарта 7-й категории.

Расширенная Категория 5 (Category 5Е), также как и Категория 5,

специфицируется до 100 МГц. Основные отличия состоят в том, что в спецификациях расширенной Категории 5: содержатся дополнительные параметры требования к этим параметрам жестче по сравнению со спецификациями Категории 5.

Таким образом, расширенная 5-я категория будет определять такие характеристики кабельной системы медной неэкранированной витой пары, которые позволят гарантированно использовать протокол передачи данных Gigabit Ethernet. Кабельные системы категории 6 - это кабельные системы мультимегабитных технологий, пока ещё находящихся в стадии разработки (до 250 МГц).

Параметры компонентов Категории 7 будут специфицироваться до 600 МГц. Кабель будет иметь общий экран и отдельные экраны для каждой пары. Его физический размер будет приблизительно на 50% больше размера кабелей, обычно используемых в настоящее время. Оба этих фактора значительно повысят стоимость системы и усложнят ее монтаж [5, 6].

1.2. Сетевой кабель

Кабели составляют малую часть от общей стоимости ЛВС, около 6 %. Обычно кабель является самым долгоживущим элементом сети. Сервера и другие компоненты сети могут многократно меняться, прежде чем будут заменены кабели. Для ЛВС могут быть использованы кабели трех типов [7]:

1) коаксиальные;

2) с витыми парами и

3) с оптическими волокнами.

Кроме стоимости, перечисленные типы кабелей значительно различаются по своим техническим характеристикам. Кабели представляют собой различные дизайны, имеют различные технические возможности и стоимость, но у них есть и общие характеристики. Разница в том, что кабель с оптическими волокном использует световой импульс для пер