Еще не сказанное о волоконной оптике

Антон Подчеко,

Как известно, волоконно-оптический кабель состоит из самих волокон, по которым распространяется сигнал, и элементов конструкции, обеспечивающих защиту волокон от внешних воздействий. О таких элементах и пойдет речь.

В зависимости от условий эксплуатации к конструкции кабеля предъявляются различные требования. Кабель, который используется вне помещений, в первую очередь должен иметь защиту от атмосферных воздействий, таких как солнечный свет, влага, перепады температур. Кабелю, который предназначен для прокладки в кабельных колодцах, необходима защита от грызунов. Если кабель подвешивается между опорами линий электропередач, важна его механическая прочность.

При выборе кабеля основное внимание обычно уделяется двум аспектам. Первый - это пожарная безопасность, необходимость которой возникает, если кабель прокладывается внутри помещений. Второй аспект - это целостность и сохранность световодов при хранении, монтаже и эксплуатации волоконно-оптического кабеля. На каждом из этих этапов кабель подвергается механическим, атмосферным и другим воздействиям, которые могут быть опасны для волокна. Заметим, что здесь речь не идет о физическом разрушении оптического волокна.

Какова же конструкция внешней оболочки кабеля, которая обеспечивает первичную защиту оптических волокон от разрушающих воздействий?

Графическое обозначение характеристик кабеля

Залогом успешного продвижения продукта является четкое понимание поставщиками его особенностей и умение объяснить это потребителю. Например, оценить характеристики кабеля можно по прилагаемому к продукту техническому описанию. Здесь, возможно, не стоит знать всю методику определения механических параметров согласно стандарту ЕС 60794-1, но разбираться, что какой параметр обозначает, нужно точно.

Немецкий стандарт DIN VDE 0888 (о котором мы подробно рассказывали в предыдущем номере) дает довольно полную информацию о волоконно-оптическом кабеле. Однако для этого необходимо выполнение двух условий: маркировка кабеля в соответствии с DIN VDE 0888 и наличие таблицы, поясняющей данную маркировку.

Оригинальное решение для указания наиболее важных свойств кабеля предлагает компания R&M. Речь идет об использовании ряда пиктограмм, предоставляющих наглядную информацию о волоконно-оптическом кабеле. Некоторые из таких пиктограмм представлены в таблице ниже.

Механические характеристики кабеля

А теперь поговорим о механических характеристиках волоконно-оптического кабеля. Эти характеристики отображают то, как волоконно-оптический кабель реагирует на механические воздействия: растяжение/сдавливание, изгиб и кручение. В результате изменения температуры окружающей среды происходит естественное увеличение или уменьшение длины кабеля. Поэтому в группу этих характеристик также входит температурный диапазон, в котором можно хранить, эксплуатировать и монтировать кабель.

В приведен основной перечень механических характеристик, которые можно встретить в техническом описании волоконно-оптического кабеля, и указаны соответствующие разделы стандартов, в которых описаны методики их измерения.

В таблице также представлены русскоязычные названия параметров кабеля, которые отражают их практическое значение. Кстати, за небольшим исключением, почти все поставщики волоконно- оптических кабелей не перевели на русский язык свою сопроводительную документацию. Это очень затрудняет выбор нужного оборудования и для конечных потребителей, и для системных интеграторов.

В колонках "Пример" и "Критерий оценки" приведены ориентировочные значения параметров волоконно-оптического кабеля, которые можно встретить в технических описаниях. Механические характеристики волоконно-оптических кабелей специального назначения здесь не рассматриваются.

Величина допустимого продольного растяжения (Tensile performance) характеризует максимальное усилие, которое можно приложить в продольном направлении кабеля и при котором не произойдет изменение характеристик оптического волокна. При растяжении кабеля в первую очередь происходит воздействие на саму оболочку, и только потом - на оптическое волокно.

Пример зависимости растяжения волокна и кабельной оболочки от прилагаемого усилия приведен на рисунке справа внизу. Из него видно, что при растяжении кабеля с силой, меньшей 1,5 кН, натяжения оптического волокна не происходит. Это граничное значение и указывают как предел прочности на разрыв.

Почему не сразу происходит растяжение оптического волокна? Длина волокна в кабеле превышает длину его оболочки - световоды свободно располагаются в гелезаполненной трубке в виде спирали (рис. а). При растяжении кабельной оболочки волоконная спираль распрямляется (рис. б), при сжатии - наоборот, сжимается (рис. в).



Поэтому, когда прикладывается растягивающее усилие к оболочке, световод сначала распрямляется и только потом начинает удлиняться сам. По некоторым критериям растяжение оптического волокна на величину до 0,5% также является допустимым, и тогда пределом прочности на разрыв кабеля по тому же рисунку можно считать уже 2 кН.

Иногда указывают два значения предела прочности на разрыв: кратковременное и длительное. Говоря о данной характеристике волоконно-оптического кабеля, важно заметить, что речь не идет о физическом разрыве кабеля или даже самого волокна.

Относительно такой характеристики, как сдавливающее усилие (Crush), потребители иногда заблуждаются, что может быть вызвано как недостатком знаний, так и неправильным ее определением со стороны продавцов волоконно-оптических кабелей. Часто данную характеристику путают с предельной прочностью на разрыв. На самом деле сдавливающее усилие характеризует допустимую силу, с которой можно сдавить в поперечном направлении кабель при условии, что величина затухания в волокне останется в пределах нормы. Так как размер тестового пресса равен 100 мм, в качестве единицы измерения сдавливающего усилия часто применяют величину давления, измеренную в кН на 100 мм.

Ударная нагрузка (Impact) характеризует защищенность кабеля от ударов. Например, ударная нагрузка, равная 2 Нм, означает, что при свободном падении на кабель груза массой 2 кг с высоты 100 мм параметры оптического волокна не изменятся. Такое испытание проводится минимум три раза.

Максимальный изгиб кабеля (Cable bend) является еще одним важным параметром, который характеризует предельно допустимый радиус кривизны укладки кабеля. Его необходимо учитывать, когда речь идет о прокладке волоконно-оптического кабеля, например, в трубопроводах или кабельных каналах.


Величина минимально допустимого радиуса изгиба часто находится в пределах 15-20 диаметров от внешней оболочки кабеля. Если пренебречь этим параметром, может нарушиться целостность световодов в кабеле.

Кручение (Torsion) определяет способность оболочки кабеля обеспечивать защиту волокна при скручивании оболочки вокруг своей оси. Для кабеля с металлической броней допустимый угол скручивания меньше, чем для кабеля без брони.

Параметры температурного цикла (Temperature cycling) определяют стабильность коэффициента затухания волокна при эксплуатации кабеля в различных температурных условиях. Изменение температуры окружающей среды в первую очередь приводит к скручиванию, растяжению или сжатию кабельной оболочки, а это, как уже отмечалось, оказывает влияние на характеристики волокна.

Надо отметить, что в сопроводительной документации на оптический кабель указывается минимальное и максимальное значение эксплуатационной температуры. Согласно методике измерения этого параметра, относительное изменение затухания в волокне в этом диапазоне температур не превышает нескольких десятых дБ/км. Иногда в характеристиках кабеля, кроме данного показателя, указывают еще и диапазоны температур для хранения, монтажа и эксплуатации.


Зависимость растяжения волокна и оболочки кабеля от прилагаемой силы растяжения

Защита от проникновения влаги (Water penetration) является важным параметром для волоконно-оптического кабеля, особенно если он предназначен для применения вне помещений. В лаборатории тестовый отрезок кабеля помещается в воду на глубину около одного метра. Оптические волокна не должны вступить в контакт с водой в течение одних или нескольких суток.


Положение оптического волокна в трубке

Оболочка кабеля

Чаще всего материалом, который используется для изготовления наружной оболочки волоконно-оптических кабелей, является полиэтилен. Он обладает и отличными физическими параметрами (большая прочность, хорошая износостойкость, неподверженность ультрафиолетовому излучению, окислению и другим химическим воздействиям), и хорошими диэлектрическими свойствами. Полиэтилен имеет неплохую сопротивляемость проникновению влаги, низким и высоким температурам, а также обладает способностью не изменять свои физические свойства под воздействием перепадов температуры окружающей среды.

Оболочки волоконного кабеля различаются по плотности используемого полиэтилена. Самым прочным материалом является полиэтилен высокой плотности - HDPE (High Density Polyethylene). Он используется при изготовлении кабелей для наружного применения, которые непосредственно закапываются в грунт или протягиваются по канализационным трубам. Стоимость такого материала достаточно высока, поэтому он чаще применяется в кабелях с большим количеством оптических волокон. Меньшую стоимость имеет полиэтилен средней плотности - MDPE (Medium Density Polyethylene). Из него изготавливается большинство кабелей, которые при относительно низкой цене отличаются хорошими механическими характеристиками, что обеспечивает достаточный уровень защиты оптических волокон.

Менее прочным является полиэтилен низкой плотности - LDPE (Low Density Polyethylene), который часто используется в конструкции кабелей вместе с полиэтиленом высокой плотности. Например, волоконно-оптический кабель с металлической броней. Его внешняя оболочка может изготавливаться из MDPE-полиэтилена, а дополнительная внутренняя оболочка, которая находится под стальной броней, - из полиэтилена LDPE.

Придать повышенную прочность волоконно-оптическому кабелю можно в том случае, если в качестве верхнего слоя используется полиамид PA (Рolyamide). Это очень подходящий материал для производства кабеля промышленного применения. Полиамид имеет отличную сопротивляемость химическим соединениям, таким как концентрированные щелочи, различные масла, некоторые растворы органических и минеральных кислот.
Толщина полиамидной пленки не превышает 0,5 мм. Сама оболочка чаще всего имеет оранжевый или черный цвет.

Несмотря на хорошие механические характеристики, сам полиамид подвержен проникновению влаги и воздействию ультрафиолета. Поэтому, как правило, полиамид применяется как дополнительный элемент конструкции вместе с полиэтиленом. Такой кабель используют для прокладки в кабельных канализациях или пластиковых трубопроводах. Затянуть полиамидный кабель несложно, поскольку коэффициент трения между гладкой оболочкой из полиамида и пластиковым трубопроводом сравнительно низкий. Кроме того, полиамид обладает отличной абразивной стойкостью.

Особое внимание стоит уделить волоконно-оптическим кабелям, оболочки которых отвечают требованиям пожарной безопасности. Основой для изготовления соответствующих оболочек является полиэтилен, а необходимые свойства достигаются путем добавления специальных химических добавок. В описании волоконно-оптического кабеля о наличии таких свойств чаще всего свидетельствует аббревиатура LSZH (Low Smoke Zero Halogen).

Вообще существует немало стандартов, описывающих необходимые свойства кабельных оболочек в соответствии с международными или национальными требованиями техники пожарной безопасности. О них следует рассказать подробнее.

Условие, когда внешняя оболочка кабеля не поддерживает горения (Non propagation of flame) означает, что в случае воспламенения вертикально расположенного кабеля снизу его оболочка не будет способствовать распространению пламени вверх. Однако соответствие данной норме ни в коем случае не гарантирует, что при расположении кабеля, например, в туннелях или трубопроводах огонь не будет распространяться в горизонтальном направлении.

За такую сопротивляемость огню отвечает характеристика, которую можно перевести как "нераспространение пламени" (Non propagation of fire). Если кабель имеет соответствующие характеристики, то это гарантирует, что он сам не станет причиной возгорания или распространения огня (хотя существует немало других источников возгорания).

Отсутствие выделения галогенов и других токсичных соединений при горении обеспечивает необходимые условия для эвакуации персонала и устранения возгорания. Это такие же важные свойства волоконно-оптического кабеля, как и способность не выделять дым под воздействием огня. В таблице ниже приведены основные характеристики оболочки кабеля в соответствии с нормами пожарной безопасности.

Наличие у волоконно-оптического кабеля негорючей оболочки, которая не выделяет галогенов, заметно увеличивает его стоимость, но при прокладывании кабеля внутри помещений, на промышленных объектах, в туннелях метрополитена международные и национальные нормы пожарной безопасности обязывают к применению кабеля именно такого типа.

Усиливающие элементы

Для увеличения допустимого растяжения волоконно-оптического кабеля в его конструкцию обязательно вводят силовые элементы. Величины допустимого растяжения в 1000-2000 Н (ньютонов) можно достичь с помощью использования кевларовых или стекловолоконных нитей. Как правило, этого показателя бывает вполне достаточно для кабелей общего назначения. Нити могут образовывать плотный слой, а могут и переплетаться. Считается, что кевларовые нити обеспечивают большее допустимое усилие на разрыв. Однако стекловолокон-ные нити еще и защищают от грызунов и являются барьером для распространения горения.

Иногда параллельно с кевларовыми нитями применяют один центральный или пару боковых стержней. Дополнительные силовые элементы могут быть диэлектрическими или металлическими. Конструкция с центральным силовым элементом характерна для кабеля с большим числом волокон, которые группами размещаются вокруг силового элемента.

Высокое допустимое усилие на разрыв в специальных типах кабелей, в которых эта величина должна иметь значение десятков килоньютонов, достигается с помощью стальных прутьев. В таких кабелях оптические волокна чаще располагаются не в термопластиковых, а в стальных гелеза-полненных трубках.

Есть еще одна функция, которую могут выполнять кевларовые и стекловолоконные нити в кабелях. Это так называемый "эффект памяти". Основным компонентом внешней оболочки волоконно-оптического кабеля является полиэтилен, который поставляется на производство в гранулах. После термической обработки получается однородная масса, из которой и вытягивается в виде трубки оболочка кабеля.

С течением времени происходит усадка полиэтилена. Он сжимается, стремясь принять первоначальную форму, обусловленную своим молекулярным строением. В результате происходит продольное смещение внешней оболочки кабеля относительно свободно размещенных гладких трубок, в которых расположены волокна. При этом внешняя оболочка сжимается, освобождая на концах кабеля участки термопластиковых трубок, которые могут повредить оптические волокна внутри разделочной муфты или коробки. Такую усадку можно предотвратить, если скрученные под внешней оболочкой кабеля кевларовые нити закрепить на специальном креплении муфты (рис. слева). Это явление нужно учитывать, когда кабель свободно укладывается километровыми отрезками, например, в грунт.

Volokonoptik

Выбор кабеля

Выбрать из всего многообразия предлагаемых на рынке волоконно-оптических кабелей тот, который полностью отвечает поставленной задаче, очень сложно. Во-первых, нужны глубокие познания в этой области, но здесь может помочь квалифицированный дилер или системный интегратор. Во-вторых, сам заказчик порой не может правильно сформулировать исходные данные. В-третьих, исполнителю чаще всего приходится балансировать между техническими характеристиками волоконно-оптического кабеля и его стоимостью.

Последнее условие, пожалуй, самое важное. Не секрет, что уменьшение такого параметра, как допустимая нагрузка на разрыв, снижает стоимость кабеля на 20-30%. Используя внешнюю оболочку из полиэтилена вместо LSZH, можно также заметно уменьшить стоимость. Но стоит ли рисковать ради кратковременной выгоды?

Экономя сегодня, завтра можно потерять доверие конечного пользователя, который вкладывает немалые средства в построение волоконно-оптической линии передачи и надеется на ее стабильную работу в течение многих лет. Конечно, наш рынок информационных технологий еще не совсем готов к тому, чтобы волоконная оптика была в каждом офисе и в каждом доме. Однако нужно уже сегодня закладывать основы цивилизованных и технически грамотных решений.

Так как же защитить инвестиции конечного пользователя? Как ни банально это звучит, необходимо работать только с высококвалифицированным системным интегратором.

Защита от грызунов

Когда говорят, что кабель имеет защиту от грызунов, то чаще всего подразумевается наличие металлической брони. Объясняется это тем, что такая броня наиболее эффективна при невысокой стоимости, поэтому именно она нашла наиболее широкое применение. Условно можно выделить несколько типов металлической брони:

стальная ламинированная лента, которая сгибается вдоль, чтобы ее боковые края находили один на другой. Получается некое подобие трубки, которую для увеличения допустимого сдавливающего усилия еще и гофрируют.
Такой тип брони часто применяется в волоконно-оптических кабелях общего назначения; проволочная броня из стальной оцинкованной проволоки, основное назначение которой - обеспечение большого допустимого усилия на разрыв, а также защита от грызунов. Этот кабель предназначен для вкапывания в грунт. Кстати, использование волоконно-оптического кабеля с проволочной броней является обязательным при построении первичных сетей по российским стандартам.

Для наших широт допустимо применение кабеля и в стальной гофроброне, которая значительно дешевле. Броня в виде диагонально свитой стальной проволоки, но кабели с такой броней, как и кабели с броней из алюминия, меди или другого металла, относятся к оборудованию специального назначения, например, кабель, который прокладывается под водой.

Специальный фиксатор натяжения силовых элементов кабеля и его крепление в монтажной муфте от компании R&M

Иногда необходимо использовать кабель, у которого полностью отсутствуют металлические компоненты. Как же в этом случае обеспечить надежную защиту от грызунов? Существуют волоконно-оптические кабели с так называемой "неметаллической броней". Это подразумевает либо внешний слой из особо прочного диэлектрического материала, например, полиамида толщиной полмиллиметра, либо тонкий слой полипропилена.

Хорошую защиту от грызунов может обеспечить и плотный слой стекловолоконных нитей (не путать с нитями из кевлара), которые выполняют также роль силовых элементов. Однако при изгибе кабеля трубка с оптическими волокнами может выйти из слоя продольно-натянутых стекловолоконных нитей, что ставит под угрозу защиту волокна.
Этого можно избежать, если стекловолоконные нити закручены в спираль или даже переплетены вместе - таким образом степень защиты повышается.

Все эти способы защиты от грызунов основываются на тех особенностях конструкции волоконно-оптического кабеля, которые помогают усилить его механическую прочность. Существует и другой способ, который базируется на добавлении специальных химических компонентов во внешнюю оболочку (у нас нечасто можно встретить такой тип кабеля из-за его высокой стоимости). Построение волоконно-оптических каналов связи требует значительных капиталовложений, поэтому, начиная с этапа проектирования, необходимо свести до минимума те факторы, которые могут снизить надежность линии передачи. При этом защита от грызунов является составной частью задачи по обеспечению стабильной работы волоконно-оптического канала связи. Это актуально и при вкапывании кабеля в землю, и при прокладке в канализациях или туннелях метрополитена.

Конечно, можно изготовить волоконно-оптический кабель, в котором бы предусматривались все перечисленные виды защиты от грызунов. Однако кабелю необходимо обладать и другими качествами, такими как пожаробезопасность, небольшой вес или отсутствие металлических компонентов. Стоимость здесь также играет не последнюю роль. Поэтому в кабеле чаще реализуются один или два способа, которые бы в большей степени обеспечивали защиту от грызунов.

Механизмы микротраншейной прокладки

Методика микротраншейной прокладки основана на использовании специализированных механизмов. Они представляют собой фрезу на шасси трактора для снятия дорожного покрытия и устройство для удаления пыли, песка, гравия и других мелких фракций. Эти механизмы могут быть совмещены в один или же, наоборот, разделены, соответственно распределяя технологическую операцию подготовки траншеи к инсталляции кабеля на два этапа - вскрытия асфальта и очистки микротраншеи. В качестве устройства очистки может применяться компрессор, а также вакуумный или водяной насос. Соответственно, посторонние частицы выдуваются воздушным потоком, отсасываются или же вымываются водяным потоком, который подается под напором.

Как правило, прокладка кабеля в грунт осуществляется в траншею на глубину 1,2 м (кроме скальных и прочих плотных грунтов IV и выше категории) согласно действующим нормам. Такая глубина считается достаточной для надежной защиты линейно-кабельных сооружений, эксплуатируемых вне помещений, от несанкционированного доступа и влияния факторов окружающей среды. В городских условиях для упорядочивания коммуникаций строится кабельная канализация, которая обеспечивает дополнительную защиту линейно-кабельных сооружений.

Различными разработчиками волоконно-оптических кабелей предлагаются разные варианты технологии прокладки кабеля в микротраншею. Эти варианты имеют общую технологическую операцию - заглубление. Идея микротраншейной технологии заключается в том, чтобы при значительном сокращении земляных работ обеспечить надежную защиту кабелей. Дополнительной защитой от наиболее вероятного внешнего механического и температурного воздействия служит само дорожное полотно.

Схема функциональных устройств при прокладке оптического кабеля в микротраншею

Существуют технологии прокладки волоконно-оптических кабелей специальной конструкции непосредственно в микротраншею, а также прокладка специальных каналов для последующей инсталляции в них волоконно-оптических кабелей.

Микротраншейная прокладка кабельных каналов

Способ подготовки микротраншеи для инсталляции аналогичен способу прокладки кабеля непосредственно в грунт, за исключением размеров микротраншеи. Для прокладки каналов проделывается микротраншея шириной 100 мм и глубиной порядка 250 мм. В нее прокладывается 1-2 канала, содержащих до 7 субканалов для прокладки кабелей: один центральный и 7 периферийных. Внутренний диаметр каналов составляет 10 мм. После укладки каналов микротраншея заливается легким бетоном, а затем восстанавливается асфальтовое покрытие. Для расположения муфт и технологического запаса волоконно-оптического кабеля устраиваются специальные микроколодцы, представляющие собой пластиковые или металлические короба, заглубленные в грунт и вмурованные в асфальт. Горловина микроколодца закрывается крышкой или люком с замком, препятствующим несанкционированному доступу. Ввод каналов с кабелями осуществляется через стенки с последующей герметизацией места ввода. Муфта закрепляется на стенке микроколодца, а технологический запас кабеля выкладывается в форме восьмерки. За счет небольшого внешнего диаметра кабеля минимально допустимый радиус изгиба кабеля - около 150 мм.

Сечение микротраншей с проложенным кабелем

Строительство традиционных смотровых устройств кабельной канализации предусматривает значительный объем земляных работ, включающих в себя рытье котлована, вывоз излишков грунта, трамбовку грунта на дне котлована во избежание проседания под весом железобетонной конструкции. При строительстве необходима также техника для разгрузки железобетонных элементов колодца.

Поскольку микроколодцы располагаются на поверхности грунта, а их размеры и вес гораздо меньше стандартных смотровых устройств кабельной канализации, необходимы значительно меньшие затраты на их строительство. В первую очередь это достигается за счет значительного сокращения объемов земляных работ, а также за счет уменьшения трудозатрат.

Для данной методики разработаны специальные микрокабели, представляющие собой типичные кабели конструкции loose tube, но с оптическими модулями уменьшенного диаметра.

Перспективы

Широкие перспективы применения микротраншейной технологии прокладки волоконно-оптических кабелей обусловлены отсутствием необходимости приобретения дополнительного дорогостоящего оборудования и привлечения зарубежных специалистов для его наладки и обучения персонала. Необходимое для реализации этого метода дорожно-строительное оборудование имеется в наличии в учреждениях, занимающихся эксплуатацией дорог. Достоинством этой технологии прокладки является отсутствие необходимости длительных перерывов движения транспорта. В случае проведения работ на улицах с незначительным транспортным потоком движение вообще можно не перекрывать даже в случае поперечного пересечения.

В заключение необходимо отметить, что микротраншейная технология прокладки волоконно-оптических кабелей намного дешевле традиционных способов строительства кабельной канализации. Применение этой методики позво-ляет значительно сократить трудозатраты и время на проведение строительных работ, а также повысить эффективность труда с помощью механизации. Широкое внедрение микротраншейной технологии на практике позволит интенсифицировать развитие межстанционной сети в мегаполисах и тем самым улучшить качество обслуживания клиентов.

Прокладка волоконно-оптических кабелей непосредственно в грунт

С помощью специализированных механизмов в полотне дороги проделывается микротраншея шириной до 15 мм и глубиной от 40 до 100 мм, в которую укладывается специализированный волоконно-оптический кабель. Проложенный кабель накрывается жгутом из пористой резины, диаметр жгута подобран таким образом, чтобы он плотно укладывался в траншею и служил распоркой. После этого траншея заливается битумом.

Кабель, предназначенный для такого способа инсталляции, представляет собой конструкцию monotube и состоит из одного металлического модуля, выполненного из медного сплава, внутри которого содержатся оптические волокна. Внутреннее пространство модуля с волокнами заполняется гидрофобным компаундом. Внешний диаметр модуля составляет 5 мм. Модуль содержит пучки оптических волокон. Для идентификации оптические волокна в одном пучке имеют различную окраску, а каждый пучок имеет обмотку из цветных синтетических нитей. Количество оптических волокон в пучке - до 12 штук. Кабель может содержать до 5 пучков оптических волокон. Таким образом, количество оптических волокон в кабеле может достигать шестидесяти. Снаружи кабель покрыт защитной полиэтиленовой оболочкой. Наружный диаметр кабеля составляет 7 мм, вес - порядка 110 кг/км.

Волоконно-оптический кабель для микротраншейной прокладки

Такая конструкция волоконно-оптического кабеля обеспечивает высокую устойчивость к температурным колебаниям и механическим воздействиям. Допустимое усилие на разрыв составляет 1 кН. Допустимый радиус изгиба при прокладке - 70 мм. Диапазон рабочих температур - от -40 до+70°С.

Следует заметить, что, как и в случае с другими волоконно-оптическими кабелями, инсталляционные работы должны проводиться при температуре окружающей среды не ниже -5°С.

Для сращивания строительных длин волоконно-оптического кабеля разработаны специальные муфты, предназначенные для установки на поверхности грунта таким образом, чтобы люк муфты оказывался на одном уровне с дорожным покрытием. Это муфты проходного типа. Корпус круглой формы выполнен из нержавеющей стали и рассчитан на сращивание до двух строительных длин кабеля, то есть имеет 4 кабельных ввода. Существуют модификации муфт для сращивания волоконно-оптических кабелей различной емкости. Корпус муфты имеет круглую форму, диаметр рассчитан таким образом, чтобы обеспечить возможность выкладки технологического запаса оптических волокон внутри корпуса муфты.

Кабельные вводы располагаются в нижней части корпуса муфты, герметизируются механически путем обжима патрубка муфты вокруг металлического модуля кабеля с помощью обжимного инструмента. Затем место стыка защитной полиэтиленовой оболочки кабеля и кабельного ввода муфты может быть дополнительно защищено термоусаживаемой трубкой для предотвращения проникновения влаги под оболочку. Такой способ герметизации обеспечивает надежную долговременную защиту муфты от проникновения влаги.

Волокно в микротраншее

Виктор Каток, Алексей Ковтун, Игорь Руденко.

Сети и телекоммуникации.

Сегодня все более актуальной становится проблема перегруженности кабельной канализации, решить которую можно с помощью микротраншейной прокладки волоконно-оптических кабелей.

Совершенствование телекоммуникационного оборудования позволяетзначительно сокращать площадь, занимаемую станционным оборудованием, при этом многократно наращивая мощность.

В отношении линейных сооружений такие тенденции, к сожалению, практически не наблюдаются. Развитие сетей операторов связи, а также ведомственных сетей приводит к тому, что существующая кабельная канализация оказывается перегруженной, и дополнительная прокладка кабелей невозможна. Кроме того, следует учитывать, что волоконно-оптические кабели необходимо прокладывать в свободных каналах кабельной канализации, в которые впоследствии могут быть проложены другие волоконно-оптические кабели. В канале кабельной канализации, занятом кабелем с металлическими проводниками, допускается совместная прокладка волоконно-оптических кабелей только в защитной полиэтиленовой трубке. Однако часто в каналах отсутствует место для прокладки кабелей в полиэтиленовых трубках. В такой ситуации приходится выполнять докладку каналов кабельной канализации, а это весьма дорогостоящая процедура. Чаще всего возникает необходимость докладки каналов в центральных районах, и без того перенасыщенных подземными коммуникациями (это, как правило, районы с высокой деловой активностью).

Надо отметить, что разрытие влечет за собой многочисленные неудобства: создает препятствия передвижению транспорта и пешеходов, ухудшает внешний вид улиц. В местах пересечений с коммуникациями сторонних организаций необходимо привлекать представителей этих организаций. Работы часто приходится проводить в сжатые сроки, в том числе и в ночное время. Для движения пешеходов через зоны разрытий устраиваются временные переходы с ограждениями, в темное время суток предусматривается освещение. Кроме того, по окончании работ проводятся ре-культивационные мероприятия, а также восстановление покрытия дорожного полотна (асфальтирование, укладка плитки и пр.). Действующие инструкции рекомендуют проводить ручным способом работы по рытью траншей и котлованов в стесненных городских условиях. Это создает дополнительные проблемы, особенно в зимний период. Городские власти с неохотой позволяют осуществлять разрытия в центральных районах города. Таким образом, есть целый комплекс проблем, препятствующих развитию проводных сетей в районах, где они более всего необходимы. Поиск путей решения этих проблем заставляет обратиться к опыту зарубежных партнеров. Одним из эффективных методов является применение микротраншейной прокладки волоконно-оптических кабелей.

Арматура, используемая при навивке и подмотке волоконно-оптического кабеля

При навивке волоконно-оптического кабеля на грозозащитный трос или фазный провод существует необходимость применения зажима такой конструкции, которая препятствует не только продольному перемещению, но и разматыванию кабеля с троса, на который он навит.

Зажимы подобной конструкции применяются также для создания гальванического соединения между несущим тросом кабеля и проводом заземления, а также между двумя тросами.

Арматура, используемая при независимом подвесе кабеля

При прохождении кабеля через опору для соблюдения высоты подвеса и во избежание повреждения элементами конструкции производится крепление кабеля к опоре. Для крепления волоконно-оптических кабелей к опорам, столбам и другим сооружениям разработаны специальные зажимы. Внутренняя поверхность зажимов, соприкасающаяся с оболочкой кабеля, выполнена из соответствующих материалов (например, полиуретана), препятствующих проскальзыванию кабеля внутри зажима, и в то же время способных сохранять свои свойства в течение всего срока эксплуатации. В зависимости от назначения зажимы делятся на анкерные и поддерживающие.

Анкерные зажимы применяются при устройстве узлов натяжения кабеля, выполняемых в местах поворота трассы (угол более 30°), при изменении высоты подвеса кабеля, при спуске кабеля с опор (столбов и пр.), при вводах в здания, а также на прямых участках для соблюдения стрелы провеса кабеля.

Поддерживающие зажимы предназначены для соблюдения высоты подвеса и стрелы провеса кабеля. Они применяются при устройстве проходных узлов. В этих узлах кабель фиксируется для предотвращения его проскальзывания в обе стороны.

По конструктивному исполнению зажимы делятся на два типа: спиральные и жесткие. Существуют аргументы как в пользу одних, так и в пользу других конструкций.

Рисунок 6. Анкерный зажим жесткой конструкции

Рисунок 7. Анкерный спиральный зажим

Спиральные конструкции проще и значительно дешевле жестких. Их основа - одна или более спиралей, выполненных из нержавеющих металлических проволок, соединенных между собой в виде ленты. Внутренняя сторона ленты может содержать покрытие, препятствующее проскальзыванию кабеля.

Спиральные конструкции, как правило, гораздо длиннее жестких, вследствие чего сдавливающее усилие распределяется на большую поверхность оболочки кабеля, является достаточным и не предполагает дополнительного контроля при монтаже.

Рисунок 8. Поддерживающий зажим жесткой конструкции

Рисунок 9. Поддерживающий зажим для кабеля типа "8"

Рисунок 10.
Поддерживающий зажим для двух кабелей типа "8"

К существенным недостаткам этих креплений следует отнести, в первую очередь, ограничения по возможности повторного монтажа. Это связано с нарушением внутреннего слоя, соприкасающегося с поверхностью кабеля. Производители не рекомендуют монтировать такие зажимы более 4-5 раз.

Жесткие конструкции выполнены из пластмассовых и (или) металлических деталей. Они содержат изготовленные из полимерных материалов накладки, соприкасающиеся с оболочкой кабеля и служащие для предотвращения его проскальзывания. Исключением являются зажимы для кабелей 8-типа, которые предназначены для фиксации несущего элемента, установленного за пределами сердечника, и не оказывают давления на волокна, а потому не содержат полимерных накладок.

Следует отметить, что существуют разработки поддерживающих зажимов жесткой конструкции, рассчитанные на проскальзывание кабеля в аварийных ситуациях, то есть если нагрузка натяжения в одну сторону превысит допустимое значение. Такая конструкция, в отличие от жесткой фиксации, позволяет снизить риск обрыва оптических волокон, например, в случае падения дерева на кабель или падения опоры, на которой подвешен кабель, частично компенсируя растягивающее усилие на кабель стрелой провеса. Однако если такой компенсации окажется недостаточно, возникает угроза разрыва оптических волокон на некотором расстоянии от места приложения растягивающего усилия. Опыт технической эксплуатации показывает, что такое расстояние может составлять более 200 м.

Анкерные зажимы жесткой конструкции могут быть выполнены как самозатягивающиеся: чем большее усилие приложено к кабелю в направлении, которое регулирует данный зажим, тем сильнее накладки охватывают оболочку кабеля (или несущий элемент).

Наиболее простым является устройство неспирального проходного зажима, выполненного из ленты полимерной синтетической ткани по принципу удавки.

Такие зажимы могут быть рекомендованы для подвеса кабелей с небольшим расстоянием между опорами - кабелей локальных, распределительных и других сетей в тех случаях, когда не предъявляются высокие требования к надежности.При этом есть ограничение: асимметрия нагрузок на плечи такого зажима не должна превышать 5%.

Рисунок 11. Поддерживающий спиральный зажим

Рисунок 12. Зажим, применяемый для подмотки волоконно-оптического кабеля к тросу грозозащиты

Производителями, как правило, предлагается целая гамма зажимов, предназначенных для крепления практически любого подвесного кабеля. При этом учитывается множество факторов - конструкция, габариты и удельная масса кабеля, механическая нагрузка (статическая и динамическая), длина пролета, стрела провеса и другие, что позволяет принять наиболее оптимальное решение по выбору типа зажимов.

Этапы инсталляционных работ

Для проведения инсталляции предварительно готовится трасса подвеса. На опоры и столбы подвешивается соответствующая арматура, предназначенная для протяжки и последующей фиксации кабеля в процессе инсталляции. Конструкции и типы арматурных узлов (см. ниже) определяются проектными решениями.

По закрепленной арматуре протягивается трос-заготовка (аналогичная операция проделывается в процессе прокладки кабеля в канализацию или кабельную трубку, только в этих случаях в качестве заготовки используется прут из стеклопластика). Для временно обесточенных на период проведения работ линий такой заготовкой может служить тонкий стальной трос. Для инсталляционных работ, проводимых без снятия напряжения, необходимо предусмотреть диэлектрический трос, способный выдержать соответствующую нагрузку при инсталляции - например, трос из кевлара или тварона.

После протяжки троса к нему крепится протягиваемый волоконно-оптический кабель, и с помощью специализированной кабельной лебедки проводится протяжка строительной длины кабеля по опорам. Затем протянутый кабель натягивается с помощью лебедки и закрепляется в необходимых узлах. При этом контролируется стрела провеса, которая должна соответствовать проектной.

Заземления металлических несущих элементов устраиваются на оконечных опорах строительной длины.

Комплекс оптических измерений выполняется в соответствии с действующими нормами и правилами, как и в случае с традиционными способами инсталляции.

Подвес самонесущих кабелей, содержащих вынесенный силовой элемент (стальной трос или стеклопластиковые стержни), производится после установки консолей на всех опорах. Барабан с кабелем устанавливают на транспортере или кузове автомобиля на козлах. На конце строительной длины трос отделяют от кабеля и крепят к опоре оконечной вязкой. Барабан с кабелем везут по трассе, разматывают и поднимают на ролики, закрепленные на консолях. После его размотки на длине 5-6 пролетов кабель поверх пластмассового покрытия троса захватывают зажимом и натягивают блоками или лебедкой, прикрепленными к опоре. Кабель вынимают из роликов и последовательно крепят в консолях на всех промежуточных опорах, начиная с опоры, смежной с той, на которой выполнена оконечная вязка троса. При этом добиваются обеспечения требуемых стрел провеса троса в пролетах. После закрепления кабеля в консолях на первом участке его разматывают на втором и последующих.

Заземления металлических несущих элементов устраивается на оконечных опорах, а также на промежуточных: в населенных пунктах - через каждые 250 м, вне населенных пунктов - через 2 км. Провод заземления соединяют с тросом специальным зажимом, обеспечивающим надежное долговременное соединение.

Кронштейны

Для крепления поддерживающих и анкерных зажимов на опорах и столбах разработана специализированная арматура. Выбор конструкций узлов крепления зажимов к опорам или столбам осуществляется на этапе проектирования. При этом учитывается нагрузка, создаваемая кабелем и зажимом на узел крепления в процессе инсталляции и технической эксплуатации, способ и место крепления к опоре, столбу и т.д., необходимость устройства разветвления кабелей, устройство пункта заземления металлических элементов кабеля и другие факторы.

Примерами таких устройств могут служить кронштейны. Следует отметить, что данный вариант крепления не охватывает в полной мере все многообразие проектных решений по способам креплений и не является универсальным.

Кронштейны чаще изготавливаются из сплавов стали или алюминия. Конструкция обычно предусматривает возможность крепления кронштейна как болтами (например, к металлическим частям опор), так и металлическими полосами (например, к столбам).

Методика навивки волоконно-оптического кабеля на существующий грозозащитный трос или фазный провод

Эта методика применяется для специализированного кабеля, разработанного для конкретного способа инсталляции.

Суть данной методики заключается в том, что волоконно-оптический кабель навивается на кабель или трос грозозащиты, подвешенный на линии опор.

Использование такой методики позволяет несколько снизить затраты на волоконно-оптический кабель за счет снижения роли силовых элементов, поскольку основную функцию -несущего элемента - выполняет в этом случае несущий кабель или трос грозозащиты. Однако следует учитывать, что несущий трос должен быть настолько прочным, чтобы выдерживать нагрузку барабана со строительной длиной кабеля и устройства для навивки, которые будут перемещаться по его длине в процессе инсталляции. Существует также ограничение: трос должен быть предварительно подвешен не более чем за полгода до инсталляционных работ.

Кроме того, данный способ подвеса предъявляет дополнительные требования к оболочке волоконно-оптического кабеля, которая должна сохранять свойства при одновременном воздействии температуры окружающей среды и повышенной температуры несущего проводника.

К недостаткам этого способа относится также значительное увеличение нагрузки на опоры вследствие увеличения парусности, а также при обледенении.

Инсталляция волоконно-оптического кабеля методом навивки может быть выполнена двумя способами: с использованием блоков и тяговой лебедки и с применением универсальной навивочной машины. Рассмотрим эти способы.

Методика независимого подвеса

Эта методика может быть применена для инсталляции самонесущих волоконно-оптических кабелей типа ADSS, MASS, 8-образного волоконно-оптического кабеля с вынесенным несущим элементом, а также для кабелей силовых линий, содержащих пучки оптических волокон, вмонтированные в фазный провод (OPPC) или грозозащитный трос (OPGW). Суть методики заключается в том, что волоконно-оптический кабель подвешивается отдельно от других кабелей, подвешенных на данной линии опор.

Применение этой методики, безусловно, сопряжено с относительным увеличением стоимости волоконно-оптического кабеля за счет конструктивных решений, направленных на сопротивление воздействиям окружающей среды. В частности, это касается силовых элементов.

Муфты и защита мест сращивания подвесных оптических кабелей

Для защиты мест сращивания строительных длин кабеля служат устройства, называемые "муфтами". Конструкция муфт должна обеспечивать надежную защиту мест сращивания оптических волокон в течение всего периода эксплуатации. Муфты для металлических и волоконно-оптических кабелей имеют существенные различия. Рассмотрим конструкцию муфт для волоконно-оптического кабеля.

Вообще различают линейные и станционные муфты.

Линейные муфты предназначены для эксплуатации вне помещений. Такие муфты должны быть устойчивыми к влиянию факторов окружающей среды, как и волоконно-оптический кабель. Кроме того, материалы, которые применяются при производстве муфты, должны совмещаться с материалами, используемыми при производстве волоконно-оптического кабеля, и не оказывать взаимных негативных влияний. В качестве линейных муфт для подвесных ВОЛС могут применяться обычные муфты для волоконно-оптических кабелей, если они полностью соответствуют требованиям.

Рисунок 17. Муфта в пластиковом корпусе с креплением технологического запаса кабеля на опоре

Кроме того, разработаны муфты, рекомендуемые производителями для применения исключительно на подвесных ВОЛС. Такие муфты отличаются материалом корпуса, чаще всего выполненного из сплавов стали или алюминия, и применяются для подвеса на высоковольтных линиях с высокими потенциалами, где использование обычных муфт может привести к разрушению материалов корпуса и разгерметизации.

В качестве альтернативного решения можно считать применение на высоковольтных ЛЭП дополнительных защитных металлических кожухов для муфт, что, помимо защиты от электромагнитных влияний, создает дополнительную механическую защиту.

Станционные муфты предназначены для эксплуатации внутри помещений. Применение таких муфт обуславливается необходимостью перехода с линейного кабеля на станционный. Линейные кабели, как правило, имеют внешнюю защитную оболочку из самозатухающего полиэтилена, который, однако, относят к материалам, распространяющим горение. Станционный кабель выполняется из негорючих материалов. Прокладка линейного кабеля внутри помещений допускается только в негорючей трубке, чаще всего в металлорукаве. Таким образом, если это экономически целесообразно (например, если расстояние от ввода кабеля в помещение до оптического кросса (ODF) достаточно велико и необходимо выполнить соединение линейного и станционного кабелей), применяются станционные муфты.

Такие муфты должны иметь возможность надежного заземления металлических элементов линейных кабелей (при наличии таковых) с целью предотвращения опасности поражения персонала электрическим током.

Кроме того, если линейные муфты обычно предназначены для защиты неразъемных соединений оптических волокон, выполненных с помощью сварки, то станционные муфты предполагают также применение оптических разъемов.

Настенные седла

Перед вводом в здание часто возникает необходимость проложить некоторый участок кабеля снаружи по стене. Для крепления волоконно-оптического кабеля к стенам зданий служат настенные седла. Материалом для изготовления седел является термопластик, устойчивый к воздействию ультрафиолета.

Рисунок 13. Спиральный виброгаситель

Рисунок 14. Подвесной виброгаситель

Рисунок 15. Ролик для протяжки кабеля

Рисунок 16. Муфта в металлическом корпусе с креплением, не предусматривающим размещение технологического запаса кабеля на опоре

Основное устройство седла - поясок с защелкой для закрепления кабеля или пучка кабелей. Защелка на пояске позволяет при необходимости освобождать кабели, не повреждая при этом седло, которое пригодно для повторного монтажа. Варианты исполнения седел - однопоясковые и двухпоясковые. Двухпоясковые седла дают возможность закреплять два пучка кабелей одновременно. С помощью седел возможна прокладка кабелей как круглой формы, так и 8-образных.

Седла крепятся к стене гвоздями или шурупами.

Навивка с помощью навивочной машины и лебедки

В этом случае навивочная машина имеет более простую конструкцию. Роль тягового механизма выполняет лебедка, установленная на земле. Она тянет пропущенный через блоки трос, на котором закреплена навивочная машина.

При подготовке пролета к подвесу на трос вешаются блоки для протяжки тягового троса. Навивочная машина поднимается на опору и вешается на трос. Затем на машину устанавливается барабан с кабелем. Тяговый трос крепится к навивочной машине. Запускаются тяговый механизм и механизм намотки. В остальном эти способы навивки схожи между собой.

По окончании работ по навивке кабеля выполняется комплекс оптических измерений.

Навивка с помощью универсальной навивочной машины

Для этого типа инсталляции разработаны специализированные устройства - навивочные машины. Их принцип действия состоит в следующем: один механизм (тяговый) позволяет устройству равномерно перемещаться вдоль троса, второй механизм (навивочный) при этом вращает закрепленный на машине барабан со строительной длиной кабеля вокруг троса. Волоконно-оптический кабель одновременно сматывается с барабана и навивается на трос.

Перед проходом очередного пролета на опорах укрепляются специальные "рабочие лестницы", необходимые для подготовки механизмов для работы.

Навивочная машина поднимается на опору и вешается на трос тяговым устройством в направлении движения. На машину устанавливается барабан с кабелем. В местах сближения с опорой кабель фиксируется специальным зажимом, препятствующим его разматыванию с троса.

После этого запускаются тяговое и навивочное устройства. Осуществляется навивка строительной длины кабеля на пролете между двумя опорами.

При приближении навивочной машины к следующей опоре (за 5-7м) кабель вновь фиксируется зажимом, препятствующим его разматыванию, после чего машина демонтируется и может быть использована на очередном пролете.

На самой опоре кабель фиксируется в обе стороны анкерными зажимами. Таким образом формируется проходной узел натяжения - так называемый "джампер".

Рисунок 4. Подмотка волоконно-оптического кабеля к тросу грозозащиты

Совершенствование конструкции машин для навивки волоконно-оптического кабеля позволило создать устройство, принцип функционирования которого подобен безынерционной спиннинговой катушке. Вес такого устройства составляет не более 20 кг, а полезная нагрузка - до 130 кг, что позволяет навивать ОК на пролеты длиной до 4 км. Это устройство использовалось для строительства навивных ВОЛС на территории Российской Федерации. Для повышения надежности ВОЛС в процессе эксплуатации было предложено следующее решение: до середины пролета кабель навивается в одну сторону, а затем - в противоположную. В середине пролета волоконно-оптический кабель крепится специальным зажимом, который в случае обрыва несущего провода или троса освобождает кабель и тем самым позволяет избежать его обрыва.

Некоторые особенности технической эксплуатации подвесных ВОЛС

С целью своевременного выявления повреждений подвесных волоконно-оптических кабелей, несущих тросов, кабельной арматуры необходимо проводить периодические наблюдения. При этом контролируются:

стрелы провеса кабеля и несущего троса (в зависимости от способа инсталляции); состояние арматуры - надежность крепления, отсутствие повреждений, в том числе коррозии; качество закрепления волоконно-оптического кабеля в зажимах (механическая прочность зажима, отсутствие повреждения внешней оболочки кабеля в месте зажима); состояние муфты - отсутствие повреждений корпуса, прочность ее закрепления.

Наблюдения осуществляются путем тщательного осмотра непосредственно на опорах и определения стрелы провеса. Определение стрелы провеса может осуществляться с помощью вспомогательных мерных реек или визирования без снятия напряжения. Остальные этапы наблюдения проводятся с обязательным обесточиванием участка. Наблюдения должны проводиться два раза в год - в весенний и осенний период, на каждом регенерационном участке, посередине одной из строительных длин волоконно-оптического кабеля на четырех смежных пролетах. Дальнейшие наблюдения проводятся также на этих пролетах.

Рисунок 18. Натяжение кабеля анкерным зажимом

Рисунок 19. Спуск кабеля с опоры

Перечень основных нормативных документов, касающихся исключительно подвесных ВОЛС

Р 45-010-2002 "Рекомендації з підвішування оптичних кабелів на опорах повітряних ліній зв'язку, ЛЕП, контактної мережі залізниць. Загальні положення. Загальнi технічні характеристики та параметри оптичних кабелів для підвішування"; International Standard IEC 60794-3. Opticalfibrecables -Part 3: Duct, buried and aerial cables (Волоконно-оптические кабели. Часть 3. Кабели для прокладки в каналах кабельной канализации, в грунт и подвесные кабели); International Standard IEC 60794-4-1. Optical fibre cables - Part 4-1: Aerial optical cables for high-voltage power lines cables (Волоконно-оптические кабели. Часть 4-1. Подвесные волоконно-оптические кабели для высоковольтных линий электропередач); Recommendation ITU-T L.26.Optical fibre cables for aerial application (Волоконно-оптические кабели воздушных линий); Recommendation ITU-T L.34. Installation of Optical Ground Wire (OPGW) cable (Инсталляция волоконно-оптических кабелей, встроенных в трос грозозащиты (OPGW)).

Перспективы

В ходе изучения различных аспектов технической эксплуатации телекоммуникационных систем возникает необходимость поиска новых подходов для решения проблем, которые могут появляться в процессе таких систем функционирования. Пути решения этих проблем находят свое отображение в документах международных организаций по стандартизации. Так, была определена необходимость ввода нормативов на повреждение кабеля огнестрельным оружием, а также повреждение оболочек кабеля термитами.

Вероятно, весьма скоро значительную долю в производстве подвесных кабелей будут составлять кабели ленточной конструкции, содержащие большое количество волокон.

Номенклатура подвесных волоконно-оптических кабелей постоянно пополняется новыми конструкциями, которые более полно удовлетворяют требованиям заказчика. Применение новых, усовершенствованных компонентов для реализации проектов строительства ВОЛС методом подвеса обеспечивает в конечном итоге экономию денежных средств или сокращение временных затрат на строительство ВОЛС.

Рисунок 1. Подвесной самонесущий полностью

Рисунок 1

Рисунок 1. Подвесной самонесущий полностью диэлектрический волоконно-оптический кабель (ADSS) со свободно уложенными оптическими модулями




Рисунок 6

Рисунок 6. Анкерный зажим жесткой конструкции






Рисунок 7

Рисунок 7. Анкерный спиральный зажим






Рисунок 8

Рисунок 8. Поддерживающий зажим жесткой конструкции






Рисунок 9

Рисунок 9. Поддерживающий зажим для кабеля типа "8"






Рисунок 10

Рисунок 10. Поддерживающий зажим для двух кабелей типа "8"








Рисунок 11

Рисунок 11. Поддерживающий спиральный зажим








Рисунок 12

Рисунок 12. Зажим, применяемый для подмотки волоконно-оптического кабеля к тросу грозозащиты

Подмотка волоконно-оптического кабеля к существующему тросу грозозащиты или фазному проводу

Одной из последних разработок в области подвеса является подмотка волоконно-оптического кабеля к существующему грозозащитному тросу или фазному проводу. Для этих целей также разработана универсальная машина.

В процессе инсталляции методом подмотки волоконно-оптический кабель крепится к несущему обмоткой. В роли такой обмотки может выступать подмоточный трос, специальная липкая лента или же специальная проволока в полимерной оболочке.

Основные этапы процесса инсталляции методом подмотки сходны с этапами процесса навивки. Главное различие заключается в адаптации конструкции универсальной машины для проведения соответствующей технологической процедуры.

Рисунок 5. Макет кабелей, скрепленных лентой или проводом методом подмотки

Напряженность электрического поля на поверхности самонесущих, навиваемых или подматываемых волоконно-оптических кабелей достигает от 70 до 130 кВ/м, вследствие чего при покрытии оболочки пылью образуется сухоразрядная электрическая дуга, что приводит к повреждению внешней оболочки и значительному сокращению срока службы оптических кабелей. Кроме того, для указанных кабелей при резкой смене электромагнитного поля возникает скачкообразная смена плоскости поляризации оптических волокон, что может привести к снижению качества передачи сигнала по оптическому кабелю. Поэтому на опорах ЛЭП рекомендуется подвешивать волоконно-оптические кабели, вмонтированные в грозозащитный трос или фазный провод, поскольку такие кабели не имеют описанных выше недостатков.

Подвес линейных муфт ВОК. Выкладка эксплуатационного запаса в местах сращивания строительных длин

Смонтированная муфта может располагаться:

непосредственно на опоре или столбе; на опоре в специальном защитном кожухе, обеспечивающем дополнительную защиту муфты; в котловане рядом с опорой. При расположении муфты в котловане рядом с опорой ввод кабеля в котлован должен быть защищен пластиковой трубкой, а ниже - металлическим желобом; высота от уровня грунта и заглубление регламентируются проектным решением.

Технологический запас выкладывается в котловане с соблюдением радиуса, не меньше допустимого для данной марки волоконнооптического кабеля. Технологический запас, выложенный в котловане, также должен иметь защиту от механических повреждений и несанкционированного доступа.

В месте крепления муфты к опоре располагается и технологический запас кабеля. Производителями муфт разработаны устройства для крепления муфт к опорам и столбам. Некоторые подобные устройства позволяют закреплять также и технологический запас кабеля - с соблюдением минимально допустимого радиуса изгиба кабеля.

В исключительных случаях - при прохождении трассы ВОЛС в горных районах, тоннелях, вблизи подземных переходов - допускается крепление соединительных муфт к несущему канату в пролете между опорами.

Кольца волоконно-оптического кабеля при сматывании и технологический запас к устройству подвеса крепятся с помощью поясков, выполненных из материала, который обеспечивает требуемые свойства в течение всего срока эксплуатации под постоянным воздействием механических нагрузок и климатических факторов (циклической смены температуры, солнечных лучей), например рильсана.

В случае невозможности крепления к опоре или столбу существует способ крепления технологического запаса непосредственно к волоконно-оптическому кабелю, подвешенному в пролете.

Ролики

При независимой инсталляции для протяжки кабеля до закрепления его в зажимах используются специальные ролики. Их конструкция позволяет быстро осуществлять монтаж и демонтаж с кронштейнов на опорах. Кроме того, конструкция роликов препятствует самопроизвольному соскакиванию кабеля в процессе инсталляции.

Для снижения растягивающих нагрузок на кабель в процессе инсталляции внутри шейки ролика вмонтирован подшипник.

При необходимости в местах поворотов трассы при инсталляции применяются блоки протяжных роликов для соблюдения допустимого радиуса изгиба кабеля. Эти приспособления позволяют увеличить количество пролетов, через которое одновременно протягивается трос-заготовка и далее - строительная длина кабеля. Отсутствие или невозможность применения та кого устройства требует фиксации кабеля анкерным зажимом на каждом участке изменения угла.

Виброгасители

Для защиты подвесных кабелей от галопирующего эффекта применяются демпферные устройства.

Наиболее распространенные типы виброгасителей - подвесные и спиральные.

Выбор конкретного типа виброгасителей и их размещение производится на стадии проектирования с учетом определяющих факторов - массогабаритных характеристик, стрелы провеса, силы и скорости ветра и пр.

Виктор Каток, Алексей Ковтун, Игорь Руденко.

Сети и телекоммуникации.

Инсталляция волоконно-оптического кабеля методом подвеса может быть выполнена на основе различных методик. Предлагаем рассмотреть самые распространенные из них.

Наиболее важное отличие инсталляции путем подвеса волоконно-оптических кабелей от подвеса других кабелей состоит в том, что места сращивания двух строительных длин должны располагаться на опоре вместе с технологическим запасом кабеля, достаточным для спуска с опоры, а также для восстановительных работ в случае аварийных ситуаций на линии. Сращивание строительных длин волоконно-оптического кабеля всегда выполняется в монтажном автомобиле или палатке. Это обуславливает необходимость резервирования больших длин технологического запаса, чем при прокладке в грунт. Кроме того, необходимо уделить внимание надежному закреплению запаса, поскольку нахождение на опоре сопряжено с постоянным воздействием ветровых нагрузок, вибраций, температурных колебаний и других факторов.

Рисунок 1. Подвесной самонесущий полностью диэлектрический волоконно-оптический кабель (ADSS) со свободно уложенными оптическими модулями

Рисунок 2. Оптический кабель типа OPGW c оптическими модулями, расположенными во внутреннем повиве проволок грозотроса

Рисунок 3. Оптический кабель типа "8" со стальным тросом в качестве несущего элемента и гофрированной стальной броней

Alcatel

Маршрутизатор Alcatel 7620 PowerRail Distribution Router (PDR), ранее известный как коммутатор Gigabit Ethernet PowerRail 2200 и 5200, создавался для городских сетей (MAN), интернет-провайдеров, коммерческих операторов связи и других провайдеров сетевых услуг. Устройство 7620 обладает широкими возможностями маршрутизации, имеет мощную архитектуру на базе общей памяти с параллельным доступом. Механизм маршрутизации Alcatel 7620 PDR без кеширования поддерживает более 256 тыс. МАС- или IP-маршрутов на порт. Все маршруты обрабатываются по наибольшему префиксу. Это означает, что на одной стойке поддерживается 3 млн маршрутов для подсетей, что вполне достаточно для самых крупных сетей. Маршрутизация осуществляется с помощью традиционных протоколов, таких, как RIP-1/-2, OSPFv2, IPX/RIP, IPX/SAP и BGP4. Маршрутизация с использованием программных средств поддерживается для AppleTalk Phase 2. Alcatel 7620 PDR осуществляет маршрутизацию с помощью матрицы Layer 3 и 4, используя ряд атрибутов, присущих конкретным приложениям.

Коммутатор Alcatel 7220 PowerRail Ethernet Switch (PES), ранее выпускавшийся под названием PowerRail 1000 Gigabit Ethernet Switch, предназначен для поддержки полосы пропускания, необходимой для современных рабочих станций. Этот коммутатор обладает интеллектуальными средствами Layer 3, которые позволяют распределить рабочую нагрузку традиционных маршрутизаторов IP и IPX. Он поддерживает неблокирующую коммутацию с полосой 8 Гбит/с, полную рабочую нагрузку на 20 портах Ethernet с автоматическим распознаванием скорости (10Base-T/100Base-TX) и на 2 портах 1000Base-SX или 1000Base-LX Gigabit Ethernet. Alcatel 7220 PowerRail обеспечивает маршрутизацию со скоростью около 6 млн пакетов в секунду и поддерживает 128 тыс. адресов Layer 2 и маршрутов Layer 3. Эта модель входит в состав продуктовой линейки PowerRail Core и создана для повышения производительности и снижения общей стоимости владения. Как и маршрутизатор распределения Alcatel 7620 PES, устройство 7220 PES решает эти задачи разными способами.

Cisco Systems

Решения Cisco Systems поддерживают широкий спектр сред передачи данных.

Серия коммутаторов Catalyst 2900 XL — это полнофункциональная линия коммутаторов 10/100BaseTX с автоматическим выбором скорости передачи. Устройства данной серии могут быть использованы как для создания высокопроизводительных рабочих групп, так и для объединения групп серверов. Для повышения производительности выпускаются модули GBIC, дающие физический интерфейс гигабитного порта.

Ethernet-коммутаторы Cisco 3524 и Cisco 3548 обеспечивают 24 или 48 коммутируемых 100 Мбит/с порта и высокоскоростные гигабитные каналы для подключения к серверам и магистралям. Эти устройства могут использоваться для замены или сегментирования имеющихся концентраторов 100BaseT, чтобы обеспечить выделенную полосу пропускания 100 Мбит/с каждому пользователю или группе пользователей и сохранить капиталовложения, сделанные в адаптеры, проводку и обучение пользователей. Catalyst 3524 и 3548 предлагают два слота расширения, предусматривающие подключение к серверам или магистрали по каналам 100BaseTX, 100BaseFX, 1000BaseT.

Маршрутизаторы серии 3600 обеспечивают доступ к основному офису компании и выпускаются в конфигурациях с двумя, четырьмя и шестью слотами расширения и допускают установку различных модулей ГВС и ЛВС. Модели серии Cisco 1600, выпускаемые в конфигурации на четыре ЛВС/ГВС и имеющие дополнительный слот для модуля ГВС, предлагают аналогичный набор функций для подключения филиалов, однако вместо них рекомендуется использовать модульные маршрутизаторы доступа Cisco серии 1700. Маршрутизаторы серии Cisco 2500, выпускаемые в разных версиях конфигурации, обеспечивают удаленным узлам и мобильным пользователям доступ к филиалам компании. Маршрутизаторы серий Cisco 3600 и 1600 поддерживают взаимозаменяемые модули и предлагают полный набор вариантов ЛВС/ГВС, в том числе для каналов «асинхронный последовательный/синхронный последовательный» и ISDN.

Маршрутизаторы серий Cisco 3600, Cisco 1600 и Cisco 2500 обеспечивают доступ к Интернету пользователям главного офиса и удаленных филиалов.
Эти маршрутизаторы поддерживают полный комплект программного обеспечения Cisco IOS, включая расширенные списки доступа, фильтрацию пакетов и учетные записи по операциям, выполненным пользователями. Маршрутизаторы Cisco 2600 предлагают физическую сегментацию ЛВС и поставляются с указанными функциональными программными средствами защиты Cisco IOS. Помимо обеспечения доступа к филиалам, маршрутизаторы серии 3600 обеспечивают соединения с основным офисом для мобильных пользователей и сотрудников, работающих дома, использующих для подключения асинхронные коммутируемые линии связи или каналы ISDN.

Серия коммутаторов Catalyst 5000 — наиболее полнофункциональные решения для коммуникационных центров, центров обработки данных или информационных магистралей. Дополнительный модуль маршрутизации в комбинации с модулем управления позволяет устройствам этой серии работать в режиме коммутации третьего уровня (маршрутизации), что дает возможность использовать их в качестве коммутирующих маршрутизаторов масштаба предприятия.

Маршрутизаторы Cisco старших моделей сочетают исключительную надежность, высокие эксплуатационные параметры и показатели производительности. Все модели серии Cisco 7500 поддерживают обширный спектр интерфейсных процессоров, в том числе Gigabit Ethernet Interface Processor (GEIP). Предусмотрены конфигурации с двумя процессорами RSP (в случае отказа основного RSP, все его функции возлагаются на второй) и двумя блоками питания.

Коммутирующие маршрутизаторы Catalyst 8500 CSR одни из самых последних устройств в арсенале коммутирующих маршрутизаторов масштаба предприятия. Catalyst 8500 CSR определяет новый класс специализированных коммутирующих маршрутизаторов, имеющих неблокирующую архитектуру. В Catalyst 8500 CSR интегрированы возможности коммутации ATM, что делает эти устройства единой промышленной платформой, способной воплотить в себе возможности интеграции данных, голоса и видео.

Маршрутизаторы серии Cisco 12000 GSR предназначаются в первую очередь для построения магистралей с обеспечением QoS, где для подключения клиентов используются современные технологии — xDSL, сети кабельного телевидения.Эта серия также широко используется в качестве магистральных маршрутизаторов в IP-сетях. Поддерживаемые интерфейсы включают в себя порты OC-12 (622 Мбит/с) и OC-48 (2,4 Гбит/с). Устройства данной серии внедрены во многие опорные сети Интернета.

Gigabit как стандарт корпоративной сети

, &laquoЭкспресс-Электроника&raquo, #3/2003

С момента утверждения стандарта IEEE 802.3z в июне 1998 года история показала, что Gigabit Ethernet — одна из самых популярных технологий для построения локальных сетей. Хотя сегодня принято считать, что гигабитные скорости недостаточно востребованы российским рынком — слишком мало приложений, действительно требующих передачи данных по сети с такой скоростью, — полоса пропускания 1 Гбит/с дает новое качество сети.

Gigabit Ethernet достаточно быстро проникает на отечественный корпоративный рынок, хотя считают что данный сегмент пока ограничен использованием в основном недорогих неуправляемых коммутаторов для подключения серверов и коммутаторов небольших рабочих групп в масштабах кампуса. Перспективы этой технологии в локальных сетях связаны с ростом объемов трафика (это касается любых сетей — корпоративных или операторских). Просто в корпоративных сетях гораздо проще выделить требовательных к полосе пропускания пользователей и рабочие группы, которым необходимы гигабитные соединения. В этом случае Gigabit Ethernet можно использовать не во всей сети, а локально, что многие и делают. Оператору же сложнее предсказать, кому из его заказчиков понадобится большая полоса, поэтому исходить приходится из «наихудших» прогнозов.

Использование более высокоскоростной технологии, естественно, несколько удорожает стоимость соединений, но на сегодня разница в цене между решениями на базе Fast и Gigabit Ethernet не столь велика.

Мы поставили своей целью рассказать о гигабитных решениях ведущих поставщиков, а также привести примеры реализации сетевых проектов с использованием оборудования Gigabit Ethernet. Информация об этом, возможно, поможет разумно спланировать политику в отношении модернизации сетей и выбрать наиболее экономичное решение.

Nortel

Решения от компании Nortel Networks могут инсталлироваться практически на всех участках каналов связи.

Решения для этажных коммутаторов — отказоустойчивый стек, собранный из коммутаторов BayStack 420 или комбинированный стек, в который могут включаться одновременно BayStack 450, 460, 470, Business Policy Switch 2000, последние три модели с расширенной поддержкой QoS, а BayStack 460 обеспечивает возможность передачи в Ethernet линии напряжения для электропитания VoIP терминалов. Отказоустойчивый стек — это объединение коммутаторов с помощью специальных стековых интерфейсов (использование которых не уменьшает количество доступных Gigabit Ethernet интерфейсов). Таких соединений у коммутатора два — в прямом и в обратном направлении. При выходе из строя (или необходимости технического обслуживания) одного из коммутаторов в стеке остальные продолжают работать. Для системы управления стек выглядит единым сетевым устройством, с одним IP-адресом и сквозной нумерацией портов.

Для серверных комнат могут применяться Baystack 380-24T или 380-24F, коммутаторы на 24 интерфейса Gigabit Ethernet. Для IP-магистрали используются Passport 1400, 1600, 8600.

Для каналов связи возможен выбор из интерфейсных опций Gigabit Ethernet, реализованных по GBIC-технологии. Особое внимание необходимо обратить на возможность реализации отказоустойчивых соединений. За основу принята стандартная технология многоканального транкинга (MLT) — IEEE 802.3ad, позволяющая объединить несколько интерфейсов, соединяющих два коммутатора, в одну многоканальную группу с равномерным распределением нагрузки между всеми каналами. Разработки Nortel расширяют стандартную реализацию MLT. Если коммутаторы объединены в комбинированный стек, то MLT группа может включать каналы с различных коммутаторов в стеке. Это позволяет обеспечить дополнительную надежность при соединении коммутаторов с магистралью, резервировать включение серверов.

Еще одно расширение стандарта MLT — технология SMLT (Split MLT), обеспечивающая надежность при включении сетевых устройств в магистраль с двукратным резервированием.
Каналы коммутатора, объединенные в MLT-группу, включаются в два магистральных устройства, функционируют параллельно, в режиме равномерного распределения нагрузки. В классическом случае для реализации аналогичного резервирования MLT-соединение использовать невозможно, так как MLT-группа организуется только между двумя коммутаторами, а в случае резервирования необходимо соединить три устройства. Кроме невозможности использовать MLT, нужно также включить механизм ограничения широковещательного трафика — STP-протокол или перейти на Layer 3 маршрутизацию. При использовании STP-протокола один из каналов на магистраль будет заблокирован с целью ограничения широковещательного трафика (предотвращение Broadcast storm). Восстановление сети c STP происходит за время от 7 до 40 с (в зависимости от модификации STP). Переход на Layer 3 маршрутизацию накладывает требование наличия дополнительной функциональности на сетевых устройствах и усложняет схему сети. Использование Layer 3 маршрутизации также не обеспечивает высокой скорости восстановления схемы при аварии (от 5 с до нескольких минут). Технология SMLT в принципе должна решить перечисленные проблемы, поскольку она обеспечивает использование всех сетевых интерфейсов для пропуска трафика и равномерное распределение трафика.

Типовая схема телекоммуникационного проекта с использованием оборудования Gigabit Ethernet от Nortel Networks включает оборудование Layer 2 коммутаторов Baystack/BPS, коммутирующих маршрутизаторов для магистрали Passport, интеллектуальных Layer 2 — Layer 7 коммутаторов Alteon для серверных комнат и решения задач информационной безопасности. Кроме того, для обеспечения безопасности при работе через Интернет используется Contivity-маршрутизатор с функциональностью удаленного доступа. Для построения Extranet VPN или VPN для приложений применяется решение на базе коммутаторов Alteon и Alteon iSD SSL, позволяющих оптимизировать SSL-решения.

В России реализацией проектов с использованием гигабитных решений Nortel занимаются партнеры компании.


Кроме того, дистрибьюторы Nortel Networks работают с сетью реселлеров. Это специалисты, выполняющие консультирование, планирование, поставку и техническую поддержку оборудования.

По словам Алексея Собкевича, консультанта по продажам и сетевому инжинирингу представительства Nortel Networks в России, среди основных трудностей, с которыми приходится сталкиваться при интеграции нового оборудования и уже существующего у заказчика: проблемы взаимодействия с другими производителями, связанные с применением нестандартных протоколов. Так, например, на устройствах Cisco используется не стандартный MLT, а его модификация — EtherChannel. Однако Nortel Networks разработал методы взаимодействия по такими протоколам. К примеру, можно включить коммутатор Cisco, реализующий EtherChannel, в стек коммутаторов Nortel, на котором реализуется DMLT. Соединения EtherChannel можно также включить в магистраль по схеме SMLT.

Om

Обзор решений стоит начать с компании 3Com, поскольку и на мировом, и на российском рынке этот поставщик занимает лидирующие позиции. Классическая схема корпоративной сети на оборудовании 3Com выглядит так. В качестве центральных и магистральных систем передачи данных, а также центральных коммуникационных узлов сети используются неблокируемые гигабитные маршрутизирующие коммутаторы 3Com Switch 4050/4060, образующие распределенную фабрику по технологии построения ядра локальной сети XRN (eXpandable Resilient Networking). Также на этом уровне может использоваться шассийный коммутатор третьего уровня 3Com Switch 4005.

На уровне серверной группы применяется XRN-фабрика из неблокируемых гигабитных маршрутизирующих коммутаторов SuperStack 3 Switch 4924.

В качестве устройств, обрабатывающих трафик на уровне рабочих групп, используются стекируемые высокопроизводительные Ethernet 10/100 коммутаторы второго уровня с широким перечнем возможностей анализа пакетов вплоть до четвертого уровня и расширенной поддержкой QoS — SuperStack 3 Switch 4400. Стекирование этих коммутаторов (до 8 устройств на стек) реализуется по отказоустойчивой схеме, то есть при выходе из строя одного из устройств работа стека не нарушается и замену устройства можно провести в горячем режиме. Кроме того, поддерживаются «функции через стек» — агрегирование каналов (802.3ad LACP), резервные связи.

Каждый из серверов оснащен двумя гигабитными серверными сетевыми адаптерами по витой паре 3Com Gigabit Server 3C996B-T.

Таким образом, предлагаемую схему сети можно кратко охарактеризовать как «неблокируемая высокопроизводительная сеть L2-L3-L4, основанная только на стандартах, с расширенной поддержкой QoS, обеспечивающая отказоустойчивость на всех уровнях «от центра до края».

«С увеличением размера сети возрастают требования по производительности, масштабируемости, надежности и отказоустойчивости — отмечает Эдуард Луговой, системный инженер представительства 3Com в странах СНГ. — Большинство сетей в России — сети малого и среднего размера, и многие инсталляции сетевого оборудования — фиксированные конфигурации.
Однако последние разработки 3Com, например, позволяют строить отказоустойчивые масштабируемые сети по принципу «pay as you grow». Очень яркий пример — новейшие моноблочные неблокируемые гигабитные маршрутизирующие коммутаторы 3Com Switch 4050 и 4060, в которых обеспечивается высокая степень готовности аппаратной платформы за счет поддержки двух блоков вентиляторов и двух резервных источников питания с распределением нагрузки и возможностью горячей замены. Эти коммутаторы, как и устройства семейства SuperStack 3 Switch 4900, могут образовывать распределенную фабрику по технологии XRN. Такая технология позволяет объединить несколько гигабитных коммутаторов в распределенную коммутационную матрицу, работающую как единое целое на всех уровнях, с возможностью ее расширения по мере роста сети без физических ограничений, связанных с применением центрального коммутационного устройства ядра сети».

Один из примеров построения гигабитной сети на базе решения 3Com — проект для ОАО «Башкиргаз». В конце 2001 года руководство этой компании приняло решение о переезде в новый офис, под крышей которого смогли бы разместиться основные структуры холдинга. Перед IT-отделом была поставлена задача проектирования и построения сетевой инфраструктуры, отвечающей возросшим требованиям предприятия.

По словам начальника отдела информационных технологий и телекоммуникаций ОАО «Башкиргаз» Эрнста Султанбекова, вопрос о выборе производителя перед ним не возникал. Четыре года назад при оборудовании старого офиса «Башкиргаза» руководителю отдела IT пришлось отказаться от зашитых в корпоративную политику «Межрегионгаза» коммутаторов Cisco Catalyst из-за их дороговизны. Впрочем, жалеть об этом решении впоследствии не пришлось: выбранные коммутаторы 3Com оказались, помимо экономичности, очень удобными в эксплуатации. В отличие от Cisco Catalyst, которые стекировались при помощи отдельных устройств, 3Com предлагал более продуманную архитектуру построения стека. Наконец, немаловажную роль сыграл и фактор бесплатного обновления ПО для управления устройствами 3Com.



Проект корпоративной сети разрабатывался еще одной дочерней компанией «Башкиргаза» — системным интегратором «БизнесСофт», и предусматривал построение локальной вычислительной сети на активном оборудовании 3Com и организацию спутникового канала связи с корпоративной сетью ОАО «Газпром». Центром корпоративной системы «Башкиргаза» стал гигабитный

24-портовый коммутатор 3Com Switch 4950 с возможностью расширения до 28 портов. Все шесть серверов «Башкиргаза» подключены к сети через центральный коммутатор. После модернизации активного сетевого оборудования специалисты IT-отдела заменили 100-мегабитные карты, стоящие сейчас на сервере базы данных Compaq Proliant 5500, на гигабитные.

Помимо 3Com Switch 4950 в корпоративной сети «Башкиргаза» будут эксплуатироваться несколько 48-портовых коммутаторов 3Com SuperStack 3 Switch 4400. Как рассказывает Эрнст Султанбеков, первоначально в спецификацию закладывалась 24-портовая модель коммутатора из семейства SuperStack 3 Switch 4400, однако сотрудники 3Com вовремя посоветовали дождаться поставок нового релиза данного устройства. Таким образом предприятию удалось более эффективно использовать имеющиеся площади и сократить затраты на стекирование новых коммутаторов.

В новом офисе архитектура сети, по утверждению Эрнста Султанбекова, значительно эволюционировала за счет использования разноуровневых потоков кабеля. Горизонтальная СКС и этажные кроссы служат для сбора и передачи информационных потоков внутри стека. Вертикальная СКС, проходящая по шахтам через все четыре этажа здания, обеспечивает связь между стеками и центральным коммутатором. СКС Signamax категории 5Е, выбранная специалистами «Башкиргаза», позволяет при необходимости перевести рабочие места на гигабитные скорости передачи данных.

Аннотация

В статье описывается разработанная в ИСП РАН система моделирования распределенных вычислительных сред Grid. С помощью этой системы проведен анализ реальной вычислительной среды Sharcnet. На основе анализа были выявлены возможные способы существенного увеличения эффективности работы среды.

Эксперименты

Цель экспериментов заключалась в следующем. С использованием реализованного прототипа среды смоделировать поведение реально существующей Grid системы при различных условиях. В качестве распределенной Grid системы была выбрана сеть Sharcnet .

Распределенная вычислительная система Sharcnet (Shared Hierarchical Academic Research Computing Network) – это консорциум из 16 колледжей и университетов в юго-западной части провинции Канады Онтарио, вычислительные ресурсы которых объединены высокоскоростной оптической сетью (рисунок 5).

Характеристики вычислительных ресурсов сети Sharcnet представлены в таблице 2.

ИмяПроцессорыУзлы

Bruce	128	32 x 4 x Opteron
narwhal	1068	267 x 4 x Opteron dual core
Tiger	128	32 x 4 x Opteron
Bull	384	96 x 4 x Opteron
megaladon	128	32 x 4 x Opteron
Dolphin	128	32 x 4 x Opteron
Requin	1536	768 x 2 x Opteron
Whale	3072	768 x 4 x Opteron
Zebra	128	32 x 4 x Opteron
Bala	128	32 x 4 x Opteron

Таблица 2: Характеристики вычислительных ресурсов сети Sharcnet

В качестве входных данных была использована запись реального потока задач (“workload“ поток), выполнявшихся на кластерах с декабря 2005 по январь 2007 года . Характеристики потока представлены на рисунке 6.

Рисунок 6: Характеристики потока задач в сети Sharcnet: распределение ширины задач (количество запрашиваемых процессоров), длины задач, соотношение ширины и длины. Время показано в секундах

Данный поток состоит по большей части из однопроцессорных задач. Однако, параллельных задач достаточно много – примерно 10%. Длина задач распределена более равномерно – большая часть, примерно 30%, имеет длину от 1 до 10 часов и чуть более половины всех задач по длительности составляют меньше одного часа, включая все большие параллельные задачи.

На рисунке 7 представлен график суммарного числа запрашиваемых процессоров в единицу времени. По оси абсцисс отложено время в секундах, по оси ординат – суммарное число запрашиваемых процессоров. Синяя горизонтальная линия показывает общее число процессоров в системе.

Мы видим, что поток не равномерный, на протяжении всего интервала присутствуют всплески запрашиваемого количества процессоров. Также, на графике можно заметить периодичность изменения нагрузки – временные интервалы 5000000, 1000000, 15000000 и т.д. Данные особенности присущи практически всем реальным потокам . Примерно в середине временного интервала происходит перегрузка системы – запрашиваемая ширина становится больше доступной. Это говорит о том, что при любом распределении задач, в системе будут присутствовать очереди. Для данного потока, с 10% параллельных задач, будет происходить неполное заполнение кластеров, что еще больше увеличит размер очередей.

Особенность данного потока состоит также в том, что пользователи направляли задачи на кластеры непосредственно – для распределения не использовался брокер. При анализе потока оказалось, что в системе присутствует существенный дисбаланс нагрузки (рисунок 8).



Средняя длина очереди на каждом кластере


Среднее время ожидания на каждом кластере
Рисунок 8: Дисбаланс в системе Sharcnet

Средние длины очередей в некоторых случаях отличаются почти в 100 раз. Это приводит к тому, что среднее время ожидания в очереди для различных кластеров отличается в несколько десятков раз.

Для проведения экспериментов, на основе данного потока мы создали несколько синтетических потоков. Необходимость использования синтетических потоков обусловлена различными факторами:

запись оригинального потока может содержать различные несистематические особенности и всплески, связанные с конкретными событиями, что делает его неподходящим для анализа и прогнозирования поведения данной системы, но эти особенности могут быть сглажены при создании синтетических потоков; оригинальные потоки часто имеют большой размер и поэтому не очень удобны для выявления локальных свойств алгоритмов; синтетические потоки могут позволить создавать новые ситуации, которых не было в исходных данных.

Для создания синтетических потоков могут быть использованы различные подходы.


Полностью синтетические потоки иногда бывают удобны для отладки, однако для анализа поведения моделируемых систем более подходящим является использование синтетических потоков, основывающихся на записях оригинальных потоков .

Для создания таких синтетических потоков мы использовали следующий поход. Для того чтобы определить поток задач



необходимо определить следующие параметры:

Rj — промежуток времени между поступлением j и j+1 задачи (j = 1,2,…,M-1);

Hj — запрашиваемое время исполнения (j = 1,2,…,M);

Wj — запрашиваемое число процессоров (j = 1,2,…,M).

На основе оригинального потока задач для этих параметров оцениваются кумулятивные функции распределения и первые моменты. Далее, для каждого из параметров подбирается функция распределения в виде свертки нескольких распространенных функций распределения. Подбор осуществляется с помощью минимизации отклонения моментов и графиков функций по параметрам распределений в свертке и коэффициентам свертки.

Полученные таким образом распределения были использованы для генерирования нескольких синтетических потоков.

Мы применили разработанную систему моделирования и сравнили эффективность распределения задач в сети Sharcnet в оригинальном случае (без брокера) с распределением, получаемым с помощью брокера. Без брокера задачи поступали на кластеры в оригинальной последовательности, указанной в файле загрузки. В обоих случаях на каждом кластере использовалась реализация алгоритма Backfill.

Алгоритм обратного заполнения Backfill работает по следующему принципу: размещая наиболее приоритетное задание, определяется момент времени, когда освободится достаточное количество ресурсов, занятых уже выполняющимися заданиями, затем производится резервирование этих ресурсов. Задание с меньшим приоритетом может быть запущено вне очереди, но только в том случае, если оно не будет мешать запуску более приоритетных заданий .

На брокере использовались различные алгоритмы распределения. В каждом случае вначале брокер выбирает множество кластеров, которые могут выполнить данную задачу – W≥Wj, где W – число узлов кластера, а Wj – число узлов, запрашиваемых задачей, а затем выбирает один кластер исходя из заданного критерия:



N/W Выбирается кластер с наименьшим числом задач в очереди. Для данного кластера отношение N/W имеет минимальное значение, где N – число задач, стоящих в очереди, W – число процессоров кластера. W/W Выбирается кластер с минимальной общей шириной задач в очереди. Для данного кластера отношение имеет минимальное значение, где N – число задач, стоящих в очереди, Wj – ширина задачи, W – ширина отправляемой задачи, W – число процессоров кластера. Sqr/W Выбирается кластер с минимальной общей площадью задач в очереди. Для данного кластера отношение имеет минимальное значение, где N – число задач, стоящих в очереди, Sj – площадь задачи, S – площадь отправляемой задачи, W – число процессоров кластера.

Всего было проведено 7 экспериментов:

задачи распределялись на кластеры согласно файлу загрузки; задачи направлялись на брокер, который затем распределял их на кластеры. На брокере использовалась эвристика N/W; на брокере использовалась эвристика W/W; на брокере использовалась эвристика Sqr/W; на брокер направлялись только однопроцессорные задачи. Параллельные задачи направлялись на кластеры согласно файлу загрузки. На брокере использовалась эвристика N/W; однопроцессорные задачи, на брокере использовалась эвристика W/W; однопроцессорные задачи, на брокере использовалась эвристика Sqr/W

Мы сравнивали среднее время ожидания задач в очереди, а также характеристики самих очередей – длину и площадь, среднюю по всем кластерам и отдельно для каждого кластера.



(a) Среднее время ожидания в очереди


(b) Средняя длина очереди


(c) Средняя длина очереди на каждом кластере. Распределение однопроцессорных задач, алгоритм Sqr/W


(d) Среднее время ожидания на каждом кластере. Распределение однопроцессорных задач, алгоритм Sqr/W
Рисунок 9: Результаты экспериментов

На рисунке 9 представлены результаты экспериментов при распределении только однопроцессорных задач. На рисунке 9(a) показано среднее время ожидания в очереди, определяемое как



где N – общее число запущенных задач, Tstart – время запуска задачи, Tsubmit – время постановки задачи в очередь кластера.


На рисунке 9(b) показана средняя длина очереди. Первый столбец на обеих диаграммах соответствует распределению задач без брокера. На рисунках 9(c) и 9(d) показаны средняя длина очереди и среднее время ожидания на каждом кластере в секундах.

Результаты показывают, что для данной вычислительной системы распределение потока однопроцессорных заданий через брокер дает значительный эффект: снижается среднее время ожидания заданий в очереди, а также происходит более равномерная загрузка вычислительных ресурсов.

При распределении всех задач (не только однопроцессорных) через брокер среднее время ожидания становится примерно на 5-7% меньше, чем в приведенных результатах. Однако, мы приводим результаты для распределения только однопроцессорных задач, поскольку для проведения данных экспериментов нам была доступна информация только в виде записи потока задач. Из записи потока невозможно определить, почему задача отправляется пользователем на тот или иной вычислительный ресурс. Причиной может быть архитектура системы, наличие специального программного обеспечения, личные пристрастия и т.п. Мы сделали предположение, что однопроцессорные задачи менее привязаны к конкретному кластеру, так как не зависят от среды передачи данных, которая установлена на кластере. Для системы Sharcnet такое предположение наиболее логично, так как среда передачи данных не одинакова для всех кластеров – таблица 3.

Имя Процессоры Архитектура

Bruce	128	Myrinet 2g (gm)
Narwhal	1068	Myrinet 2g (gm)
Tiger	128	Myrinet 2g (gm)
Bull	384	Quadrics Elan4
megaladon	128	Myrinet 2g (gm)
Dolphin	128	Myrinet 2g (gm)
Requin	1536	Quadrics Elan4
Whale	3072	Gigabit Ethernet
Zebra	128	Myrinet 2g (gm)
Bala	128	Myrinet 2g (gm)

Таблица 3: Среда передачи данных кластеров сети Sharcnet

Похожие результаты были получены в работе голландских исследователей при объединении двух Grid систем – Grid5000 и DAS2 . В их работе отмечается наличие дисбаланса в обеих системах, и предлагается метод для его устранения, используя глобальный планировщик.


Результаты также показывают существенное уменьшение времени ожидания, примерно на 60%, и более равномерную загруженность кластеров.

В ходе проведенных нами экспериментов было замечено, что результаты распределения сильно зависят от входного потока задач. Очень трудно найти алгоритм распределения, который давал бы одинаково хорошие результаты на всех возможных потоках. Однако, зная характеристики вычислительной системы и характеристики предполагаемого потока задач, мы можем провести моделирование и определить, какой алгоритм распределения показывает наиболее хороший результат. В некоторых случаях простая эвристика может давать лучшие результаты по сравнению с более сложной.

В связи с этим актуальной представляется задача разработки такого алгоритма управления вычислительными ресурсами, при котором брокер анализирует поступающий к нему поток задач и, в зависимости от характеристик потока, выбирает эвристику, дающую оптимальное, согласно заданным критериям, распределение. Выбранная эвристика используется брокером для распределения задач по кластерам до тех пор, пока не произойдет ”переключение“ на другую эвристику.

Литература

Buyya R., Murshed M. Gridsim: a toolkit for the modeling and simulation of distributed resource management and scheduling for grid computing // Сoncurrency and computation: practice and experience. — 2002. — Vol. 14. — Pp. 1175–1220. Eclipse - an open development platform www.eclipse.org. Feitelson D. G. Locality of sampling and diversity in parallel system workloads // ICS ’07: Proceedings of the 21st annual international conference on Supercomputing. — ACM, 2007. — Pp. 53–63. Feitelson D. G., Rudolph L. Metrics and benchmarking for parallel job scheduling // Lecture Notes in Computer Science. — 1998. — Vol. 1459. — Pp. 1+. Feitelson D. G. Workload modeling for computer systems performance evaluation book draft. — since 2005. Feitelson D. G., Weil A. M. Utilization and predictability in scheduling the IBM SP2 with backfilling // 12th Intl. Parallel Processing Symp. — 1998. — Pp. 542–546. Globus alliance. — www.globus.org. The grid workloads archive. — http://gwa.ewi.tudelft.nl/pmwiki/. Inter-operating grids through delegated matchmaking / A. Iosup, D. H. Epema, T. Tannenbaum et al. // Proceedings of International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage and Analysis (SC07). — Reno, NV: 2007. — November. Legrand A., Marchal L., Casanova H. Scheduling distributed applications: The simgrid simulation framework // Proceedings of the 3rd IEEE/ACM International Symposium on Cluster Computing and the Grid 2003 (CCGrid2003). — 2003. — Pp. 138–145. The microgrid: Using emulation to predict application performance in diverse grid network environments / H. Xia, H. Dail, H. Casanova, A. Chien // In Proceedings of the Workshop on Challenges of Large Applications in Distributed Environments (CLADE’04). IEEE Press. — 2004. Tuecke S., Czajkowski K., Foster I. et al. Open grid services infrastructure (ogsi) version 1.0. — 2003. — June. Optorsim - a grid simulator for studying dynamic data replication strategies / W. Bell, D. Cameron, L. Capozza et al. // International Journal of High Performance Computing Applications. — 2003. — Vol. 17, no. 4. — Pp. 403–416. Overview of a performance evaluation system for global computing scheduling algorithms / A. Takefusa, S. Matsuoka, K. Aida et al. // Proceedings of the Eighth IEEE International Symposium on High Performance Distributed Computing (HPDC’99). — 1999. — Pp. 97–104. Parallel workloads archive. — http://www.cs.huji.ac.il/labs/parallel/workload/. Foster I., Kesselman C., Nick J., Tuecke S. The physiology of the grid an open grid services architecture for distributed systems integration. — 2003. Platform globus toolkit. — http://www.platform.com/. The shared hierarchical academic research computing network. — www.sharcnet.ca. Univa. — http://www.univa.com.

Модель представления Grid системы

Модель для представления Grid инфраструктуры (мета-модель Grid) в нашей системе изображена на рисунке 2.

Рисунок 2: Мета-модель Grid

Модель Grid состоит из множества элементов (ModelElement), связанных между собой. Доступно два вида элементов – соединение (Connection) и Grid-элемент (GridElement). Grid-элементом может быть кластер, брокер, пользователь, хранилище данных и т.п. Соединения предназначены для передачи данных между Grid-элементами. У каждого элемента есть строковый атрибут реализация (implementation). Значение данного атрибута указывает на имя Java-класса, определяющего поведение элемента. Каждый элемент может быть параметризован. Параметр представляет собой пару строк (имя, значение) и может иметь дочерние параметры. Дочерние параметры используются, например, при задании свойств алгоритмов распределения задач. Предположим, для элемента мы выбираем реализацию “кластер” и для кластера определяем значение параметра “schedulerClass” как “BackfillLocal”. В данном случае реализация “BackfillLocal” может также требовать задания значений параметров. В этом случае параметр “schedulerClass” будет иметь дочерние параметры.

Таким образом, модель Grid-системы определяется в несколько этапов (рисунок 3). Сначала мы создаем Grid элементы, из которых будет состоять Grid система. Затем задаем топологию сети путем создания связей между элементами и сетевыми соединениями. И на последнем этапе выбираем реализацию каждого элемента и определяем значения параметров для конкретной реализации.

В системе представлены основные элементы, необходимые для создания моделей Grid. Это – кластер, брокер, поток задач, сетевое соединение. Базовый набор реализованных алгоритмов распределения для кластера и брокера включают:

BackfillLocal	реализация алгоритма Backfill (алгоритм обратного заполнения) для кластера. Задание с меньшим приоритетом может быть запущено вне очереди, но только в том случае, если оно не будет мешать запуску более приоритетных заданий
BestFitLocal	реализация алгоритма “наилучший подходящий” для кластера. Для данного текущего количества свободных узлов подбирается задача, наиболее близкая по ширине
FirstFitLocal	реализация алгоритма “первый подходящий” для кластера. Размещается задача из начала очереди. Если узлов для запуска задачи не достаточно, то размещения не происходит
RandomFitGlobal	“случайный подходящий” для брокера. Для текущей задачи случайным образом выбирается кластер из множества подходящих

<
и другие.

В качестве примера рассмотрим, каким образом в системе моделирования будет определяться архитектура, изображенная на рисунке 4(a).



(а) Система


(b) Модель
Рисунок 4: Пример определения Grid системы

Пользователи, брокер и кластеры представляются с помощью Grid-элементов, с именами Student, Professor, Broker, ClusterA, ClusterB соответственно – рисунок 4(b). Для задания соединений используются элементы Connection с именами Student2Broker, Professor2Broker, Broker2ClusterA, и Broker2ClusterB. В таблице 1 перечислены параметры и имена классов, реализующих поведение элементов.

ИмяРеализацияПараметрЗначение

ClusterA	SimpleCluster
	Nodes	256
	Speedup	1
	schedulerClass	”BackfillLocal“
ClusterB	SimpleCluster
	Nodes	3200
	Speedup	1
	schedulerClass	”BackfillLocal“
Student	WorkloadTaskFlow
	Wfile	”student.sfw.zip“
	startDelay	0
Professor	WorkloadTaskFlow
	Wfile	”professor.sfw.zip“
	startDelay	0
Broker	SimpleBroker
	schedulerClass	”RandomFitGlobal“
Student2Broker	DelayedConstantConnection
	Count	512000
	Period	1
Professor2Broker	DelayedConstantConnection
	Count	2048000
	Period	1
Broker2ClusterA	DelayedConstantConnection
	Count	6144000
	Period	1
Broker2ClusterB	DelayedConstantConnection
	Count	1024000
	Period	1

Таблица 1: Параметры элементов

Для кластеров мы используем реализацию SimpleCluster. В качестве параметров необходимо указать количество узлов – параметр nodes и коэффициент ускорения – параметр speedup. Ускорение определяет, насколько быстрее, по сравнению с некоторым эталонным кластером, задачи будут выполняться на данном кластере. В нашем примере мы предполагаем, что задачи выполняются с одинаковой скоростью на обоих кластерах. Параметр schedulerClass определяет алгоритм распределения задач локальным планировщиком. В примере мы задаем алгоритм BackfillLocal, представляющий собой реализацию алгоритма Backfill .

Для пользователей ”студент“ и ”профессор“ мы используем реализацию WorkloadTaskFlow.


Данная реализация позволяет порождать задачи в моделируемой системе на основе собранных статистических данных использования реально существующей среды Grid. В качестве параметров задается имя файла в формате ”workload“ – параметр wfile и время до начала порождения первой задачи – параметр startDelay. Период позволяет активизировать различные потоки задач в различное время.

Брокер задается реализацией SimpleBroker. Единственным параметром является алгоритм распределения задач глобальным планировщиком – параметр schedulerClass. Мы указываем значение RandomFitGlobal. Это реализация алгоритма ”случайный из подходящих“ – для очередной задачи брокер выбирает множество кластеров, которые могут выполнить данную задачу, и затем случайным образом выбирает один кластер из данного множества.

Для сетевых соединений Student2Broker, Professor2Broker, Broker2ClusterA и Broker2ClusterB мы используем реализацию DelayedConstantConnection. Это простая реализация сетевого соединения позволяет передавать заданное количество данных с некоторой задержкой. В нашем примере это 512, 2048, 6144 и 1024 kb/sec соответственно.

После того, как описание модели завершено, трансляция данного описания, и последующая компиляция исходного кода происходит автоматически. На выходе получается выполняемая программа-симулятор, которую можно запустить и получить результат в виде профиля выполнения.

Для визуализации результатов система предоставляет готовые шаблоны, отображающие:

загруженность системы – общую и с разбивкой по отдельным кластерам время ожидания задач в очереди – среднее и пиковое с разбивкой по классам задач и по отдельным кластерам пропускной способности – как по количеству задач, так и используя интегральную оценку

Система моделирования Grid

С 2007 года в ИСП РАН разрабатывается система моделирования Grid. При разработке мы старались избежать недостатков, присущих существующим системам, а также реализовать некоторые новые интересные идеи.

В частности, система проектировалась так, чтобы сделать работу пользователя максимально удобной и быстрой. В отличие от перечисленных выше систем в разработанной системе не нужно вручную писать программу моделирования. Пользователь работает в специальном редакторе, задавая топологию Grid системы и свойства отдельных элементов. При этом автоматически проверяются различные виды ошибок: значения параметров, выходящие за область допустимых значений, несовместимость различных элементов, соединенных между собой, и т.п.

Сценарий работы с системой изображен на рисунке 1(a). Пользователь задает описание моделируемой среды и указывает различные параметры. Система автоматически генерирует код программы моделирования и компилирует его. Программа-симулятор запускается и создает в результате своей работы профиль выполнения. Полученный профиль анализируется и представляется пользователю в виде HTML документа.

(a) Сценарий работы системы моделирования Grid

(b) Основные компоненты системы моделирования Grid
Рисунок 1: Система моделирования Grid

Система моделирования реализована на основе платформы Eclipse , с использованием только языка Java. Это дает возможность интеграции с другими Eclipse приложениями, например, средой разработки Java, системами контроля версий, и т.п. и позволяет использовать систему моделирования под различными операционными системами – Linux, Windows, Solaris и др.

Система расширяема и рассчитана на гибкое использование. Система позволяет моделировать различные Grid архитектуры: одно и двух-уровневые системы с одним или несколькими брокерами, добавлять хранилища данных, определять топологию сетевых соединений и т.д. Система включает в себя множество реализованных компонент, таких как брокер, кластер, поток задач и т.д. Кроме того, пользователи могут расширять систему, реализовывая свои собственные компоненты.

Поведение отдельных элементов моделируется с помощью конечных автоматов, что позволяет работать с моделями больших систем – порядка тысяч процессоров и более миллиона задач.

Система предоставляет возможность для быстрого описания алгоритмов распределения задач с помощью набора правил. При моделировании распределения задач в Grid очень часто требуется проверить несколько алгоритмов, незначительно отличающихся друг от друга, например, сортировкой входного потока задач, способом выбора очередной задачи или ресурса и т.п. Описание алгоритма с помощью набора правил в такой ситуации позволяет гораздо быстрее проверить работу алгоритма, чем в случае реализации его в виде, например, Java класса, с последующей отладкой и тестированием.

В системе поддерживается возможность проведения серии экспериментов, состоящей из последовательных запусков выполняемой модели с изменением некоторых параметров при каждом следующем запуске. Например, может изменяться поток задач, конфигурация кластеров, сетевых соединений и т.п. Это позволяет в рамках одного эксперимента посмотреть динамику изменения эффективности системы и определить узкие места.

В системе реализован удобный механизм обработки результатов моделирования. Результат выполнения модели хранится в отдельном профиле и может обрабатываться независимо. Пользователь может использовать свой шаблон для выбора и визуализации только необходимой в данный момент информации. Это позволяет нескольким исследователям провести моделирование один раз, а затем независимо анализировать полученную информацию.

Система также включает в себя редактор и анализатор записей потоков задач (workload) . Запись потока представляет собой текстовый файл, каждая строка которого содержит характеристики отдельной задачи: время порождения, время запуска, общее время выполнения, количество занимаемых процессоров и т.д. Анализатор позволяет отобразить различные характеристики потока – количество задач, соотношение однопроцессорных и параллельных задач, график порождения задач во времени и т.п.С помощью редактора можно изменять поток – копировать и перемещать части потока, соединять несколько потоков в один, изменять характеристики группы задач и т.п. Также, редактор позволяет создавать синтетический поток по заданным параметрам.

Основные компоненты системы изображены на рисунке 1(b). Это – редактор и анализатор потоков, симулятор Grid системы, визуализатор.

Система моделирования Grid: реализация и возможности применения

Грушин Д.А., Поспелов А.И.
Институт системного программирования РАН (ИСП РАН), Москва

к вычислительным кластерам проявляется повышенный

В последнее время к вычислительным кластерам проявляется повышенный интерес со стороны науки, образования и промышленности. С доступностью кластерных технологий связан рост числа установок, которые строятся, устанавливаются, и которые специалисты пытаются применять для решения своих производственных задач. Кластерные вычислительные системы становятся повседневным инструментом исследователя и инженера. Однако, любая организация, становясь обладателем вычислительного кластера, не использует его постоянно, в режиме “24/7”, более того, очень часто такой дорогостоящий вычислительный ресурс простаивает.
В связи с увеличением количества кластеров набирает все большую популярность концепция Grid . Grid позволяет совместно использовать вычислительные ресурсы, которые принадлежат различным организациям и которые могут быть расположены в различных административных областях. В Grid могут объединяться разнородные вычислительные ресурсы: персональные компьютеры, рабочие станции, кластеры и супер-компьютеры.
Одним из наиболее распространенных в настоящее время программных средств для реализации Grid является пакет Globus Toolkit . Пакет Globus Toolkit разрабатывается, поддерживается и продвигается международным альянсом разработчиков из университетов США и Великобритании, а также научных лабораторий и вычислительных центров. Globus Toolkit является свободно распространяемым с открытым исходным кодом программным пакетом и предлагает базовые средства для создания Grid инфраструктуры: средства обеспечения безопасности в распределенной среде, средства надежной передачи больших объемов данных, средства запуска и получения результатов выполнения задач на удаленных вычислительных ресурсах. На базе пакета Globus Toolkit создаются промышленные версии реализаций Grid инфраструктуры, например, такие как Univa  и Platform Globus Toolkit .
Однако, несмотря на то, что уже сейчас предлагаются ставшие “де-факто” стандартными средства создания Grid-инфраструктур, существует ряд важных научных задач, в том числе и теоретических, без решения которых полномасштабное использования возможностей Grid технологий в промышленности невозможно.
Одной из актуальных задач в настоящее время является эффективное управление вычислительными ресурсами в распределенной среде. С ростом числа ресурсных центров, входящих в распределенную инфраструктуру, отсутствие хорошего планировщика, обеспечивающего управление потоком задач, не только значительно снижает эффективность использования всей Grid-инфраструктуры, но может сделать бессмысленным ее создание. При этом следует отметить, что для таких распределенных систем характерным является динамичное развитие, что делает невозможным решение задачи эффективного управления “в статике” – один раз и навсегда.
С другой стороны, оптимизация алгоритмов управления распределенной средой на непосредственно уже существующей Grid-инфраструктуре затруднено и связано со значительными издержками и простоями ресурсных центров, а часто в силу масштабности распределенной среды вообще невозможно. В связи с этим актуальной задачей является создание системы моделирования Grid-инфраструктуры, которая позволит адекватно оценивать ее поведение при изменяющихся условиях и на основе этого оптимизировать стратегии управления потоками задач.
Система моделирования может быть использована для оценки эффективности распределенной вычислительной среды в различных ситуациях, например:
при изменении нагрузки: количества поступающих задач, их размерности, приоритета, периода поступления и т.д.; при отключении части вычислительных ресурсов или добавлении новых ресурсов; при увеличении количества передаваемых данных; при выходе из строя части коммуникационных каналов
При этом оценка эффективности управления может проводиться по следующим наиболее популярным критериям :
минимизация среднего времени ожидания задачи в очереди; минимизация максимального времени выполнения группы задач (makespan); максимизация пропускной способности – числа завершенных задач в единицу времени; минимизация простоев процессоров и т.д.
В настоящее время существует несколько проектов по разработке систем моделирования Grid. Среди них наиболее известны: Bricks , MicroGrid , OptorSim , SimGrid  и GridSim .Данные системы обладают как достоинствами, так и недостатками. Среди недостатков можно отметить узкую специализацию систем, отсутствие публично доступных версий, а также ограниченность моделируемых архитектур Grid систем. Особенности реализации некоторых из них накладывают ограничения на количество одновременно существующих элементов в Grid системе и требуют от пользователя знания специальных языков программирования, что значительно снижает эффективность работы с такими системами.

В статье представлена среда моделирования,

В статье представлена среда моделирования, разработанная в ИСП РАН, позволяющая оценивать поведение распределенных вычислительных систем при изменяющихся условиях и, на основе этого, оптимизировать стратегии управления потоками задач. Также представлены результаты использования реализованного прототипа данной среды на моделировании реально существующей вычислительной системы Sharcnet.
В будущем нам хотелось бы развивать данную систему как инструмент для оценки эффективности управления вычислительными ресурсами в Grid. Пользователями такой системы могут быть администраторы и исследователи, разрабатывающие новые алгоритмы управления ресурсами.
В ближайшее время предполагается провести эксперименты с задачами, требующими передачи больших объемов данных. Также мы планируем расширить функциональность генератора синтетических потоков.
Система является свободно распространяемым с открытым исходным кодом программным пакетом и доступна по адресу .

Электрические характеристики

Подвесные волоконно-оптические кабели, конструкция которых содержит металлические элементы, должны удовлетворять следующим требованиям:

выдерживать пробное напряжение 8кВ; иметь сопротивление внешней полиэтиленовой оболочки не менее 2000М0м/км; быть стойкими к напряжению на пробой, то есть должны выдерживать напряжение 20 кВ или переменное напряжение 10 кВ частотой 5 Гц в течение 5 с; быть стойкими к действию импульсного тока, то есть должны выдерживать импульсный ток растекания силой 105 кА длительностью 60 мкс.

Оптические кабели, вмонтированные в грозозащитный трос, обязаны, кроме того, удовлетворять следующим требованиям:

внешние металлические повивы проволок должны обладать низким удельным сопротивлением - от 0,11 до 0,8 Ом/км; внешние металлические повивы должны иметь высокую плотность тока короткого замыкания - до 25 кА в течение 1 с (величина зависит от марки кабеля); кабели должны обладать стойкостью к току короткого замыкания (от 18 до 332 кА в течение 1 с в зависимости от марки кабеля); быть стойкими к грозовому разряду (до 85 Кл).

Кабели типа OPGW с гибкими полимерными оптическими модулями

Конструкция сердечника может быть с центральным модулем (monotube) и многомодульной - это, как правило, структура loose tube или с оптическими волокнами в пазах профилированного сердечника, или же с оптическими модулями в пазах профилированного сердечника.

В кабелях модуль, содержащий оптические волокна, расположен в центре. В многомодульных конструкциях модули скручиваются в повив вокруг центрального опорного элемента круглого сечения. Максимальное количество модулей - шесть. Если их меньше, то повив добавляется до шести корделями заполнения, причем его диаметр аналогичен диаметру оптических модулей.

Сердечник кабеля - центральный модуль или повив оптических модулей с корделями заполнения и центральным опорным элементом - заключается в полимерную или металлическую оболочку. Свободное пространство внутри модуля и между модулями в сердечнике заполняется гидрофобным компаундом, препятствующим проникновению влаги к оптическим волокнам.

Поверх оболочки накладываются проволоки троса. Трос может быть одноповивный или чаще - двухповивный. Во всех случаях он представляет собой комбинацию двух типов проволок: стальных алюминированных, обеспечивающих механическую прочность троса, и алдреевых, обладающих низким сопротивлением и высокой термостойкостью.

Многомодульная конструкция также может содержать оптические модули, изготовленные из полимера, в пазах профилированного сердечника из алюминия или его сплавов.

Кабели типа OPGW с жесткими металлическими оптическими модулями

Конструкция сердечника отличается от конструкции сердечников с полимерными модулями. Число металлических модулей в кабеле - от одного до четырех. Трубка оптического модуля - стальная или стальная алюминированная (из нержавеющей стали).

Кабель может содержать единственный модуль с оптическими волокнами, расположенный в центре повивов проволок. Если в кабеле имеются один или два модуля, то они располагаются в повиве, который дополняется стальными алюминированными проволоками; такая же проволока в центре выполняет функцию центрального опорного элемента.

При наличии трех или четырех модулей они скручиваются между собой и располагаются в центре кабеля.

В одних конструкциях поверх целиком металлического сердечника непосредственно накладываются проволоки троса одним или более повивами - сначала стальные алюминирован-ные, затем алдреевые большего сечения.

В других конструкциях сердечник заключается в трубку из сегментных алдреевых проволок, поверх которой следуют один или два повива проволок троса, комбинирующихся из стальных алюминированных и алдреевых.

Такие конструкции кабелей позволяют выдерживать расчетные нагрузки на разрыв в диапазоне 40-120 кН.

Многоцелевые волоконно-оптические кабели

Многоцелевой кабель, который также может использоваться как подвесной самонесущий, состоит из центрального многоволоконного модуля, внутри которого находятся пучки оптических волокон, скрепленные обмоточными нитями или лентой. В кабелях такой конструкции может быть до 96 волокон. Снаружи непосредственно на этот модуль экструдионным методом наносится полиэтиленовая оболочка, в которой диаметрально размещаются два силовых элемента для увеличения стойкости к нагрузкам на растяжение. Такой кабель достаточно легок и подходит для статически слабых опор и коротких пролетов. В зависимости от допустимой стрелы провеса возможны пролеты длиной до 50 м. В качестве силовых элементов могут применяться стальные оцинкованные проволоки. Если вместо стальных проволок в качестве силовых элементов применяется арамидная пряжа, можно использовать этот кабель в качестве полностью диэлектрического подвесного самонесущего кабеля в районах с высокой грозовой активностью.

При необходимости кабели такой конструкции могут быть проложены в грунт с использованием защитной трубки и без нее, в кабельных канализациях и коллекторах, а также использоваться для переходов через несудоходные водоемы, если такие способы инсталляции не противоречат нормативным документам (техническим условиям) на конкретный тип кабеля.

Подвес оптоволокна: линии связи различного значения

Подвес волоконно-оптического кабеля может осуществляться на различных сегментах сети передачи данных.

Градация подвесных волоконно-оптических кабелей.

Типичные конструкции кабелей типа OPGW.

Наибольшие споры, связанные с данным видом инсталляции волоконно-оптических кабелей, возникают в отношении применения этого метода на магистральных линиях связи. Отмечаются как его явные плюсы, так и минусы. Статистика эксплуатации подвесных волоконно-оптических кабелей [ВОК] в Российской Федерации (где этот метод получил широкое распространение) свидетельствует о систематических повреждениях кабелей в результате актов вандализма, а также неумышленных повреждений выстрелами из охотничьего оружия. В настоящее время наиболее часто применяется подвес волоконно-оптического кабеля на существующих опорах, используемых для подвеса металлических силовых кабелей (ЛЭП, контактной сети железнодорожного и другого транспорта). В случае аварии возникает угроза того, что на устранение повреждения потребуется значительное время. Это связано с тем, что первоочередное внимание организаций, осуществляющих техническую эксплуатацию, уделяется линейным сооружениям, необходимым для функционирования профильных служб. Телекоммуникационным кабелям в таких ситуациях отводится, как правило, второстепенная роль.

Подвесной самонесущий полностью диэлектрический ОК (ADSS) со свободно уложенными оптическими модулями.

Подвесной самонесущий полностью диэлектрический ОК (ADSS) с профилированным сердечником.

Однако возможность организации кабельных линий со значительным удешевлением за счет исключения земляных работ (особенно в тяжелых грунтах IV-V категорий, в зонах вечной мерзлоты, на заболоченных участках и участках со сложным рельефом, а также в городских условиях), актуализирует использование методики подвеса на магистральных ВОЛС. Особые преимущества метод подвеса дает при устройстве переходов через глубокие судоходные и сплавные реки, а также морских переходов через судоходные каналы, как, например, Суэцкий канал.
Эти преимущества позволяют исключить целый комплекс подводных работ по подготовке подводных траншей, прокладке и заглублению волоконно-оптического кабеля. Как следствие, упрощается техническая эксплуатация переходов, выполненных подобным образом.

Ограничения по применению подвесных линий силовыми ведомствами не всегда являются эффективными. Как показали события в Ираке, функционирование подземных коммуникаций, в частности телекоммуникационных кабелей, в условиях ведения военных действий было нарушено сравнительно быстро с помощью эффективных бомбовых ударов.

Во многих странах организация абонентских линий методом подвеса стала обычным явлением и уже может считаться традиционной. Такое решение особенно эффективно в районах с низкой плотностью населения - небольших населенных пунктах, где необходимо организовать абонентские линии большой длины. По этим абонентским линиям может быть организована телефония, передача данных и сигналов радио- и телевещания, а также целого ряда других систем (сигнализация, дистанционный климат-контроль и т.д.). Такая ситуация, например, в Польше и Франции стимулирует развитие и совершенствование технологий подвеса не только кабелей магистральной и межстанционной сети, но и кабелей "последней мили".

Следует также отметить, что рост цен на землю влечет за собой удорожание реализации проектов строительства линейно-кабельных сооружений во многих аспектах, в том числе и в сфере отвода земель. Причем наибольшие показатели роста - у регионов с высокой экономической активностью. Использование технологии подвеса позволяет избежать влияния фактора роста цен (который в скором времени будет играть немаловажную роль в формировании затрат на строительство телекоммуникационных сетей) или же существенно снизить такое влияние за счет совместного использования земельных ресурсов различными заинтересованными ведомствами.

Подвесной кабель: распространенные конструкции

Необходимость организации подвеса волоконно-оптических кабелей обусловила разработку конструкций, предназначенных именно для этого вида инсталляции. При этом учитывалось разнообразие климатических, природных, техногенных и прочих факторов, сокращающих срок службы кабеля. К таким показателям можно отнести температурные колебания - рабочий диапазон температур для большинства кабелей составляет от -40°С до +70°С, а также длительное воздействие солнечных лучей, соляной туман, загрязнение воздуха выхлопами, длительное воздействие ветровых нагрузок и вибраций. Проводятся исследования с целью создания кабелей, обладающих повышенной устойчивостью к действию радиоактивного излучения.

Ведущие производители кабельной продукции реагируют на возрастание спроса на подвесные волоконно-оптические кабели, периодически дополняя существующую гамму решений новыми разработками, отвечающими текущим потребностям.

Градация подвесных волоконно-оптических кабелей представлена в виде схемы выше.

Рассмотрим основные конструкции подвесных волоконно-оптических кабелей связи.

По типу инсталляции кабеля конструкции можно разделить на три семейства: самонесущие, встроенные в сердечник силового кабеля и навиваемые на трос грозозащиты или фазный провод. В свою очередь, каждое семейство делится на типы в зависимости от конструкции сердечника: со свободно расположенными оптическими модулями (loose tube), с центральным единым модулем, содержащим пучки оптических волокон (monotube, unitube, lightpack) или модули с оптическими волокнами (flextube), а также с профилированным сердечником (см. "СиТ" №11, 2004).

Подвесные, самонесущие волоконно-оптические кабели с металлическими оболочками

В ряде случаев при отсутствии возможности подвеса на опорах ЛЭП кабелей, встроенных в трос грозозащиты или фазный провод (0PGW), а также полностью диэлектрических самонесущих кабелей (ADSS), наиболее выгодным является применение подвесных самонесущих волоконно-оптических кабелей, содержащих металлический бронепокров (MASS).

В основном такие кабели предназначены для дополнительного подвеса. Это универсальное решение для ЛЭП с любыми уровнями напряжений.

Бронепокров кабеля состоит из стальной гофрированной ламинированной оболочки и предназначен исключительно для механической защиты сердечника кабеля, не неся при этом полезной электрической нагрузки.

Кабели типа MASS обладают достаточно малым диаметром - как правило, от 9 до 12 мм. Вес кабеля пропорционален длине пролета между опорами. Эти факторы учитываются при расчете стрелы провеса. По высоте такие кабели располагаются ниже остальных (токоведущих проводов и кабелей, а также грозозащитных тросов) и крепятся на вертикальных секциях опор и мачт.

Подобные решения эффективны при загрузке существующих опор ЛЭП, они не требуют установки дополнительных поперечных рей и позволяют избежать установки дополнительных опор для организации подвесных ВОЛС.

Оптический кабель типа "8" ленточной конструкции со стальным тросом в качестве несущего элемента и профилированным сердечником.

Оптический кабель, вмонтированный в канат грозозащиты (OPGW), со свободной укладкой оптических модулей.

Самонесущие кабели

Самонесущие волоконно-оптические кабели имеют два варианта исполнения: когда опорный элемент не вынесен за пределы сердечника кабеля (поперечное сечение кабеля -круглое) и когда опорный элемент (несущий трос или стекло-пластиковые прутки) вынесен за пределы кабельного сердечника (кабель типа "8").

Наибольшее распространение в нашей стране приобрели полностью диэлектрические самонесущие подвесные кабели [ADSS], хорошо зарекомендовавшие себя во многих регионах с различными условиями эксплуатации.

Следует отметить, что при увеличении толщины слоя упрочняющих арамидных нитей, находящихся под внешней полиэтиленовой оболочкой (а также сечения проволок опорного элемента для кабелей типа "8") возрастает стойкость кабеля к растягивающим усилиям, и таким образом увеличивается расчетная длина пролета между опорами. При уменьшении толщины слоя арамидных нитей, что приемлемо для коротких пролетов, соответственно снижается и стоимость кабеля.

Сердечники самонесущих кабелей могут иметь различные конструкции. Перечислим наиболее распространенные.

Кабели с профилированным сердечником, содержащим оптические волокна или модули, которые, в свою очередь, содержат оптические волокна. Такие конструкции позволяют обеспечить не только высокую устойчивость к усилиям на растяжение, но и на раздавливание, что может оказаться существенным при использовании определенных типов кабельной арматуры.

Loosetube - конструкция со скрученными оптическими модулями, содержащими свободно уложенные оптические волокна. Эта конструкция позволяет сосредоточить основное внимание на устойчивости к растягивающим усилиям.

Самонесущий оптический кабель с гофрированной стальной броней (MASS) со свободной укладкой модулей.

Оптический кабель типа "8" со стеклопластиковым прутком в качестве несущего элемента.

В последнее время на смену описанным выше приходит конструкция monotube. Сердечник кабеля такой конструкции содержит всего один оптический модуль несколько большего диаметра, чем в loose tube, который расположен в центре.
Внутри модуля находятся пучки оптических волокон, каждый из которых скреплен обмоточной нитью или лентой. Сердечник такого кабеля не содержит силовых элементов - они вынесены в оболочку. Несмотря на существенный недостаток -некоторое неудобство идентификации волокон - популярность этих кабелей постепенно возрастает вследствие значительно меньшего диаметра (следовательно, и парусности, массы и т.д.), то есть значительного улучшения массогабаритных характеристик при существенном сокращении затрат на материалы, что, естественно, отражается на цене.

Оптический кабель типа "8" со стальным тросом в качестве несущего элемента.

Оптический кабель типа "8" со стальным тросом в качестве несущего элемента и бронепокровом из круглых стальных оцинкованных проволок.

Разрешить сложности с распознаванием оптических волокон при большом их количестве внутри модуля monotube позволит, очевидно, применение ленточных элементов. Такая технология позволит выпускать кабели monotube большой емкости.

Требования к механическим характеристикам

Базовыми механическими параметрами, в соответствии с которыми определяются условия подвеса волоконно-оптического кабеля, являются:

допустимое усилие растяжения (Рр); стойкость к удару; стойкость к вибрациям; стойкость к раздавливающим усилиям.

В зависимости от типа и марки кабеля значения величины допустимого растягивающего усилия задаются в диапазоне от 4,0 до 85 кН. Для подвеса на опорах ЛЭП используются оптические кабели с допустимым усилием Рр > 80 кН.

Оптические кабели должны выдерживать однократные удары с энергией удара не менее 30 Дж.

Учитывая, что в процессе эксплуатации кабели на опорах находятся под действием вибрации,оптические кабели должны быть стойкими к вибрационным нагрузкам в диапазонах частот от 10 до 200 Гц с ускорением до 40 м/с2.

Стойкость к раздавливающим усилиям должна обеспечивать сохранение рабочих параметров кабеля по окончании процесса инсталляции, а также при обледенениях.

Требования к подвесным волоконно-оптическим кабелям

Требования к подвесным волоконно-оптическим кабелям определяются условиями их эксплуатации. Принимая во внимание природные условия, следует также учитывать, что кабели, подвешенные на опорах ЛЭП и контактной сети электротранспорта, находятся под воздействием мощных электромагнитных полей, и, кроме того, линии, подвешенные на опорах контактной сети железнодорожного транспорта, находятся под воздействием вибраций.

Конструкция кабеля должна обеспечивать стойкость к механическим, температурным, электромагнитным и прочим влияниям при выполнении строительно-монтажных работ и последующей эксплуатации. Значения передаточных характеристик кабеля под действием упомянутых влияний не должны выходить за установленные пределы на протяжении всего срока службы, а также должны удовлетворять требованиям стандартов ЕС, рекомендаций ITU и нормативной документации на конкретный оптический кабель.

Требования к устойчивости к влиянию климатических факторов

Рабочий диапазон температур кабелей должен быть не менее -40...+70°С.

Необходима устойчивость кабелей к влиянию повышенной влажности воздуха до 98% при температуре +40°С.

Подвесные кабели должны быть стойкими к влиянию плесневых грибов, росы, дождя, инея, солнечного излучения (в соответствии с нормативной документацией на конкретный тип кабеля).

Учитывая, что во время эксплуатации кабели находятся под влиянием различных химических веществ, необходима устойчивость кабелей к влиянию повышенной концентрации озона, минеральных масел, паров бензина, соляного тумана.

Кабели не должны содержать веществ, которые могут нанести вред окружающей среде в процессе функционирования, а также вследствие аварийных ситуаций.

Волокно на весу

Виктор Каток, Алексей Ковтун, Игорь Руденко.

Сети и телекоммуникации

Стремительный рост спроса на телекоммуникационные услуги, а также их конвергенция обуславливают поиск и разработку альтернативных решений не только в области оборудования систем передачи, распределительных и оконечных устройств, но и линейного сегмента линий связи.

Вероятно, весьма скоро из-за всеобщей информатизации общества администрации связи вынуждены будут пересмотреть отношение к существующим ограничениям на типы инсталляции линейной части. Речь идет о постепенном смягчении нынешних требований с учетом статистики отказов, а также о поэтапном вводе альтернативных решений на более ответственных участках телекоммуникационных сетей. В этой связи необходимо отметить, что вместе с конвергенцией телекоммуникационных услуг неизбежна консолидация усилий нескольких организаций (представляющих различные отрасли), которые будут направлены на взаимное предоставление услуг связи, обмен трафиком, а также организацию обходов в случаях возникновения аварийных ситуаций.

Одним из альтернативных решений в области инсталляции линейного сегмента линий связи является подвес волоконно-оптического кабеля на опоры и столбы. Этот метод позволяет в значительной мере сократить и стоимость, и время, затрачиваемые на инсталляцию кабеля, а также эксплуатационные расходы.

Мировые тенденции, заключающиеся в предоставлении производителями наиболее полного комплекса материалов, отражены и в этом направлении строительства. Ведущими производителями аксессуаров для организации подвеса волоконно-оптического кабеля разработана широкая гамма устройств, арматуры и оборудования, позволяющих реализовать как масштабные проекты подвеса кабелей магистральных линий, так и локальные проекты, к примеру, создание локальных сетей.

Волоконно-оптические кабели, навиваемые на фазный провод (WADC) или трос грозозащиты (GWWOP).

Достаточно простой является конструкция кабеля, предназначенного для навивки на фазный провод или трос грозозащиты. Как правило, эта конструкция подобна кабелям типа loose tube ADSS с той разницей, что выдвигаются гораздо меньшие требования к стойкости кабеля к усилиям на разрыв. Вследствие этого центральный силовой элемент, выполненный из стеклопластикового прутка, имеет меньший, по сравнению с самонесущими кабелями, диаметр. Дополнительный повив упрочняющих арамидных нитей отсутствует. Внутримодульное и межмодульное пространство кабеля заполняется гидрофобным компаундом.

Оптический кабель, вмонтированный в канат грозозащиты (OPGW) с профилированным сердечником.

Оптический кабель, навиваемый на канат грозозащиты (GWWOP).

Оптические кабели типа OPGW c одним оптическим модулем, расположенным в центре и во внутреннем повиве проволок троса.

Волоконно-оптические кабели, подвиваемые к фазному проводу или тросу грозозащиты (ADL)

Конструкция волоконно-оптических кабелей, предназначенных для подвивки к фазному проводу или тросу грозозащиты, подобна конструкциям кабелей, предназначенных для навивки. Различия в процессе инсталляции могут служить причиной того, что к кабелям типа ADL выдвигаются требования к устойчивости к растягивающим усилиям несколько меньшие, чем к навивным.

Волоконно-оптические кабели, встроенные в трос грозозащиты

Весьма широкое распространение в мировой практике получили кабели типа 0PGW, встроенные в трос грозозащиты или фазный провод, причем возможны различные вариации конструктивного исполнения кабелей этого типа. Очевидным недостатком таких линий является повышенная вероятность повреждения троса и кабеля ударами молний, что нередко происходит в грозоопасных районах, а также вследствие коротких замыканий на ЛЭП, вызванных разными причинами. Чтобы избежать подобных ситуаций, приводящих к перерывам в работе линий связи, была разработана специальная технология производства троса и кабеля, подвешиваемого на ЛЭП. Благодаря этой технологии при ударе молнии температура в кабеле не превышает 17О-2ОО°С, что безопасно для его жизнестойкости. Следует отметить, что такой кабель (и трос) существенно дороже обычного, однако он повреждается гораздо реже подземного.

Трос состоит из проволок. Они могут быть стальными или алюминиевыми, но наибольшее распространение получили стальные, покрытые алюминием (алюминированные) и алдреевые - из сплава алюминия с магнием, кремнием и железом. Выбор материала и диаметра проволок зависит как от размера оптического кабеля, так и от эксплуатационных требований к физико-механическим параметрам троса.

Оптические кабели типа 0PGW могут быть выполнены с гибкими полимерными или жесткими металлическими модулями.

---

---