Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям  

На правах рукописи

Аунг Хаинг У

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ И ИССЛЕДОВАНИЕ КАБЕЛЕЙ ДЛЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ

Специальность 05.09.02 - электротехнические материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва - 2012

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

Научный руководитель:	доктор технических наук, профессор Боев Михаил Андреевич
Официальные оппоненты:	арин Юрий Тимофеевич доктор технических наук заведующий отделом ОАО ВНИИКП Микилев Александр Иосифович кандидат физико-математических наук директор по маркетингу Российского филиала ОФС Файтел

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

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

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

Автореферат разослан  " " апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

к.т.н. Боровкова А.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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

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

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

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

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

Ц провести исследования влияния внешних воздействий на передаточные характеристики ОК;

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

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. В процессе теоретического и экспериментального исследования изменения затухания сигнала в ОВ при внешних механических и тепловых воздействиях на локальных участках ОК разработан метод измерения, позволяющий получать сопоставимые результаты для оценки уровня воздействия, основанный на измерении значения коэффициента затухания.
2. В процессе исследования работоспособности ОК в условиях воздействия факторов пожара впервые получена зависимость затухания в ОВ от температуры пламени и установлена возможность кратковременного сохранения работоспособности ОВ при температуре до 1000 оС. При этом показано, как изменяются механические свойства ОВ.
3. Путем моделирования внешних воздействий установлены предельные значения механических и тепловых нагрузок на ОК для ЛВС, содержащих от одного до нескольких ОВ, уложенных в кабеле без лизбыточной длины, и предназначенные для фиксированного монтажа.
4. При циклическом изменении тепловых и механических нагрузок, воздействующих на ОК, установлены аналитические зависимости изменения затухания в ОВ в зависимости от величины нагрузки.

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

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

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

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы из 100 наименований, и содержит 100 страниц машинописного текста, 51 рисунок, 40 формул и 25 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

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

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

Кабели с витой парой (twisted pair) изготавливают нескольких категорий в зависимости от частоты передаваемого сигнала. Простейшие кабели представляют собой пару медных изолированных проводников, скрученных между собой с определенным шагом. Здесь применяют и разнонаправленную скрутку, так называемую SZ скрутку. Скручивание проводов снижает влияние внешних и взаимных помех на полезные сигналы, передаваемые по кабелю. Это неэкранированные кабели (Unshielded Twistedpair, UTP) 5-й категории, предназначенные для передачи сигналов частотой до 100 МГц. Кабели с витой парой изготавливают и в экранированном варианте, когда пару обертывают в металлизированную полимерную пленку. Это кабели 6-й и 7-й категории (Shielded Twistedpair, STP), предназначенные для передачи сигналов частотой, соответственно, до 250 МГц и до 600 МГц. Не смотря на достаточно хорошие частотные характеристики витой пары, с увеличением расстояния передаточные характеристики такого вида кабелей резко падают скорость передачи информации из-за внешних помех.

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

Оптический кабель (optical fiber) содержит в своей конструкции тонкие диаметром 250 мкм ОВ, по которым распространяются сигналы инфракрасного света. Это наиболее эффективный способ передачи информации, который обеспечивает передачу данных на частоте 1,91014 Гц со скоростью до 10 Гбит/с и выше, кроме того ОК лучше других типов передающей среды обеспечивает защиту данных от внешних помех. Различие ОК, с точки зрения передачи информации, лежит в выборе ОВ, принципиальным является использование одномодовых (SMF) и многомодовых (MMF) волокон.

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

• распределительные,
• станционные (монтажные).

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

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

Во второй главе приведено испытательное оборудование и приборы, с помощью которого проведены исследования характеристик ОК и имитация внешних воздействий. Для измерения передаточных характеристик ОВ использовали рефлектометры типа Acterna MTS 8000. Соединения ОВ для последующей проверки качества сварки проводится с помощью сварочного аппарата Fujikura FSM 40S. Для измерения физико-механических свойств материалов, стойкость ОК к растягивающему усилию с помощью испытательной установки с максимальным растягивающим усилием 100 кН по ГОСТ Р МЭК 794-1 (метод Е1) на строительной длине ОК Растяжение осуществляли путем приложения нагрузки ступенями, каждый раз увеличивая нагрузку на 100 Н, на специальной установке для испытаний на растяжение и раздавливание типа РРК-ЕК2. и раздавливанию с помощью разрывной машины марки H5KS фирмы Hounsfield по ГОСТ Р МЭК 794-1 (метод Е3), позволяющая определять величину разрывного усилия материалов до 5 кН, к осевому кручению с помощью испытательной установки на скручивание на специальной установке типа СК-ЕК2 по ГОСТ Р МЭК 794-1 (метод Е7), Скручивание осуществляли ступенями по 360 градусов на специальной установке для испытаний на скручивание типа СК-ЕК2. к удару с помощью испытательной установки на удар на специальной установке типа СУ-ЕК2 по ГОСТ Р МЭК 794-1 (метод Е4). Проверку стойкости ОК к климатическим воздействиям проводят в климатической камере Challenge СН1200С фирмы Angelantoni, диапазон работы которой от минус 70 С до 180 С, с неравномерностью температуры при установившемся тепловом режиме 1 С. Также данная камера позволяет проводить испытания кабеля на стойкость к воздействию повышенной влажности до 98 % при любых заданных положительных температурах. Испытания ОК на стойкость к воздействию пониженной, повышенной рабочей температуры и циклической смене температур проводят по ГОСТ Р МЭК 794-1 (метод F1) на строительной длине не менее 1000 м.

В третьей главе представлены теоретические исследования влияния длины линии и температуры на результаты измерения затухания. Затухание в волокне А() является мерой того, как импульс света распространяется вдоль волокна и сколько энергии теряет входной импульс Рвх, это определяется по формуле:

  (1)

где Рвых - энергия импульса на выходе.

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

(2)

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

  (3)

где l - длина участка внешних воздействий.

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

(4)

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

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

В четвертой главе представлены результаты экспериментальные исследования влияния механических и климатических воздействий на характеристики ОК для ЛВС. Объектом исследования явлется разработанный в ходе данного исследования внутриобъектовый ОК, которому присвоено обозначение (марка) ОВН-1А-0,3 LS-HF. Этот кабель имеет одно одномодовое ОВ, изготовленное в соответствие с требованиями спецификации G652 МСЭ-Т, с буферным покрытием (tight buffer) из поливинилхлоридного пластиката, плотно нанесенным непосредственно на волокно, при этом наружный диаметр ОВ с покрытием стал равным 900 мкм. Оболочка кабеля выполнена из полимерного материала, нераспростняющего горение, не содержащего галогенов с низким дымо- и газовыделением. Между ОВ с буферным покрытиям и оболочкой проложены три арамидные нити линейной плотностью 1610 дтекс, которые предназначены для создания необходимой механической прочности при воздействии растягивающих нагрузок. На рис. 1 приведена конструкция этого кабеля.

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

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

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

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

Аналитическая зависимость коэффициента затухания от растягивающей нагрузки имеет вид:

  (5)

где a2 = 410-8 дБ/(кмН2); a1 = -110-5 дБ/(кмН); a0 = 0,213 дБ/км.

Испытание кабелей на стойкость к раздавливанию проводят по ГОСТ Р МЭК 794-1 (метод Е3) то же на строительной длине кабеля, при этом длина участка, на котором производили раздавливание, составляла 10 см. Измерение затухания и порядок приложения нагрузки аналогичен испытанию на растяжение. Полученные при сжатии результаты измерения затухания приведены на рис. 3, из которого видно, что при приложении нагрузки происходи рост затухания. Предельно допустимое значение коэффициента затухания 0,22 дБ/км возникает при увеличении нагрузки сжатия, рассчитанной на 1 см длины кабеля (приведенная нагрузка), более 500 Н/см.

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

Аналитическая зависимость коэффициента затухания от раздавливающей нагрузки имеет вид:

  (6)

где a3 = -210-10 дБ/(кмН3); a2 = 310-7 дБ/(кмН2); a1 = -610-5 дБ/(кмН);

a0 = 0,187 дБ/км.

Испытание кабелей на стойкость к осевому кручению проводят по ГОСТ Р МЭК 794-1 (метод Е7) на строительной длине, при этом длина участка, на котором производили скручивание составляла 4 м, масса натяжного груза составляла 5 кг. Вначале кручение производили по часовой стрелке до роста коэффициента затухания более чем в 20 раз превышающее исходное значение. Затем производили кручение в другую сторону, так же до роста коэффициента затухания более чем в 20 раз превышающее исходное значение. Полученные при кручении результаты измерения затухания приведены на рис. 4, из которого видно, что при приложении нагрузки происходи рост затухания. Предельно допустимое значение коэффициента затухания 0,22 дБ/км возникает при увеличении нагрузки при растяжении более 500 Н.

Рис. 4. Зависимость коэффициента затухания в ОВ кабеля марки ОВН-1А-0,3 LS-HF при осевом кручении

Аналитическая зависимость коэффициента затухания от угла () скручивания при осевом кручении имеет вид:

  (7)

где a - -910-6 дБ/(кмград.); b - 1,299 дБ/км.

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

(8)

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

Рис. 5. Зависимость коэффициента затухания в ОВ кабеля марки ОВН-1А-0,3 LS-HF от энергии удара

Аналитическая зависимость коэффициента затухания от энергии удара имеет вид:

(9)

где a = 0,001 дБ/(кмкДж); b = 0,182 дБ/км.

Проверка стойкости кабеля к климатическим воздействиям включала воздействие пониженной и повышенной температуры (T). Испытание кабеля на стойкость к воздействию изменения температуры проводили по ГОСТ Р МЭК 794-1 (метод F1) на той же строительной длине кабеля.

Рис. 6. Зависимость коэффициента затухания в ОВ кабеля марки ОВН-1А-0,3 LS-HF от пониженной температуры.

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

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

Аналитическая зависимость коэффициента затухания от температуры имеет вид:

  (10)

где a4 = 310-9 дБ/(кмК4); a3 = -910-7 дБ/(кмК3); a2 = 910-5 дБ/(кмК2);

a1 = -0,002 дБ/(кмК); a0 = 0,202 дБ/км.

Требования пожарной безопасности к кабельным изделиям изложены в ГОСТ Р 53315-2009 Кабельные изделия. Требования пожарной безопасности. Для ОК важным является не продолжительное сохранение работоспособности в условиях воздействия пламени.

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

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

Аналитически полученную зависимость можно представить следующим образом:

если T=T1, то =1;

если T=T2, то =2;

  (11)

где T - температура

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

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Выполнен обзор современных компьютерных сетей и требований к ним, из которого следует, что для обеспечения все возрастающих требований необходимо применение в этих сетях ОК.
2. В ходе выполнения работы создана новый дизайн ОК, отвечающий современным требованиям для компьютерных сетей, конструкция которого содержит одно одномодовое ОВ, покрытое буферным слоем из поливинилхлоридного пластиката. Кабель так же содержит арамидные нити для предания механической прочности и внешнюю полимерную оболочку. Оболочка изготовлена из специальных полимеров, не содержащих галогенов с низким дымо- и газовыделением.
3. Разработан метод измерения, позволяющий получать сопоставимые результаты для оценки уровня воздействия, основанный на измерении значения коэффициента затухания при внешних механических и тепловых воздействиях на локальных участках ОК.
4. Снята зависимость затухания в ОВ от температуры пламени при процессе исследования работоспособности ОК в условиях воздействия факторов пожара и установлена возможность кратковременного сохранения работоспособности ОВ при температуре до 1000 С.
5. Определены предельные значения механических и тепловых нагрузок на ОК для ЛВС, содержащих от одного до нескольких ОВ, уложенных в кабеле без лизбыточной длины, и предназначенные для фиксированного монтажа, при этом критерием работоспособности являлось допустимое изменение коэффициента затухания в ОВ, не выше установленного нормативной документацией.
6. Установлены аналитические зависимости изменения затухания в ОВ при циклическом изменении тепловых и механических нагрузок, воздействующих на ОК.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Боев М.А., Аунг Хаинг У. Кабели для компьютерной сети. // 13-я Международная конференция электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты. 19-25 сентября 2010. Труды. - Крым, Алушта. МКЭЭЭ-2010.: С. 31.
2. Аунг Хаинг У, асп.; рук. М.А. Боев, д.т.н., проф. Допустимые значения параметров оптических кабелей компьютерных сетей // 17-я Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. 24-25 февраля 2011. Тезисы докладов. Т. 2. - М.: Издательский дом МЭИ. 2011. С. 34 - 36.
3. М.А. Боев., Аунг Хаинг У. Механические и климатические свойства оптических кабелей для ЛВС. Вестник связи, № 8, 2011 г. С. 41-44.
4. Аунг Хаинг У, асп.; рук. М.А. Боев, д.т.н., проф. Пожаробезопасность оптических кабелей для локальной вычислительной сети // 18-я Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. 1-2 марта.2012. Тезисы докладов. Т. 2. - М.: Издательский дом МЭИ. 2012. С. 207.
5. М.А Боев, Аунг Хаинг У. Исследование влияния механических и климатических воздействий на характеристики оптических кабелей для локальной вычислительной сети. Вестник МЭИ, № 1, 2012 г. С. 75-77.
6. М.А Боев, Аунг Хаинг У. Исследование влияния внешних факторов на оптические кабели, подводящие волокно в дом. Первая миля, № 1, 2012 г. С. 10-13.

Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям