Особенности проектирования и эксплуатации оптоволоконных линий связи в инфраструктуре сотовой связи

Актуальность исследования

Современный этап развития телекоммуникационной отрасли характеризуется стремительным ростом объемов передаваемых данных, широким внедрением технологий пятого поколения (5G) и подготовкой инфраструктуры к следующему витку – сетям 6G. Это приводит к увеличению требований к пропускной способности, надёжности и скорости передачи данных, особенно в транспортной части сетей сотовой связи. В таких условиях оптоволоконные линии связи (ВОЛС) становятся ключевым элементом архитектуры современных мобильных сетей, обеспечивая сверхвысокую пропускную способность, минимальные задержки и устойчивость к внешним воздействиям.

Массовое внедрение малых сот, использование технологий виртуализации, развитие архитектуры Open RAN, а также растущая роль распределённых вычислений (MEC) требуют плотной оптической инфраструктуры, охватывающей как городские, так и отдалённые зоны. Вместе с тем проектирование и эксплуатация ВОЛС в составе сотовой сети сопряжены с рядом специфических задач: выбор оптимальной топологии, учёт сложных геологических или урбанистических условий, обеспечение физической и логической надёжности при минимизации затрат, адаптация к высокой динамике технологических изменений.

Всё это обуславливает актуальность проведения комплексного исследования, направленного на системный анализ и разработку эффективных подходов к построению и эксплуатации ВОЛС в инфраструктуре сотовой связи.

Цель исследования

Целью данного исследования является формирование научно обоснованных рекомендаций по проектированию и эксплуатации оптоволоконных линий связи, обеспечивающих максимальную эффективность, масштабируемость и устойчивость транспортной подсистемы сотовых сетей.

Материалы и методы исследования

Исследование опирается на открытые источники – научные публикации, экспертные материалы телекоммуникационных компаний, технические стандарты ITU (G.652, G.8275), рекомендации 3GPP Rel. 15–17, а также отраслевые исследования.

Методологическая база включает структурно-функциональный анализ архитектурных решений, сравнительный анализ типов оптоволоконных кабелей, систематизацию эксплуатационных рисков, а также контент-анализ технологических трендов 5G/6G.

Результаты исследования

Роль оптоволоконных линий связи (ВОЛС) в архитектуре современных сотовых сетей чрезвычайно значима, поскольку обеспечивает необходимые уровни пропускной способности, надёжности и низких задержек транспортной инфраструктуры. В сети LTE и особенно в условиях внедрения 5G и подготовки к 6G, объём передаваемых данных резко возрастает: одни лишь стандарты eCPRI и RoE, лежащие в основе современных фронтхол/мидхол интерфейсов, требуют каналов пропускной способностью вплоть до десятков, а в перспективе сотен гигабит в секунду.

Отмечается, что более 80% операторов 5G признают оптику «чрезвычайно важной» для транспорта сети. Это объясняется тем, что оптоволокно обеспечивает не только высокую полосу и низкие физические задержки, но и защищённость от электромагнитных помех и внешних факторов, что подтверждается данными о скорости передачи до 160 Гбит/с и практически нулевой деградации сигнала на десятки километров.

Изображение общей архитектуры сотовой сети показывает, что базовые станции (eNB, gNB) подключаются к RAN-подсети, а затем через высокопроизводительный оптический магистральный канал соединяются с ядром сети – EPC/5GC (MME, SGW, PGW и т. д.). В 5G-модели эта структура становится ещё более эластичной: введение фронтхол и мидхол уровней требует распределённой архитектуры с контролем задержек менее 1–5 мс на каждом сегменте.

При этом бэкхол становится основным инструментом для реализации малых сот – ключевого элемента архитектуры 5G, обеспечивающего плотное покрытие и высокую ёмкость трафика.

В технологическом контексте оптика поддерживает смещение RAN в сторону централизованных и виртуализированных решений (C-RAN, vRAN). Это требует передачи больших объёмов необработанных или частично обработанных радиоданных (RoE/eCPRI) от удалённых радио-блоков до централизованного облачного облака. Отсюда появляются строгие требования к синхронизации (G.8275.x) и надежности, которые обеспечиваются именно ВОЛС [5].

Бэкхол‑волокно также интегрируется с ядром сети и краевыми дата-центрами. В современной архитектуре 5G/6G V‑оптический транспорт создаёт соединение между сотами, хабами и периферийными вычислительными узлами, гарантируя задержки ниже 10 мс для URLLC, eMBB и MID‑haul сегментов.

Аппаратно-экономический анализ показывает, что при развертывании плотной сети small‑cell фибер-решения, несмотря на первоначальную стоимость, выгоднее микроволновых, особенно в долгосрочной перспективе, благодаря более высокой масштабируемости и меньшей встречаемости помех.

Рисунок 1 сравнивает проводные и беспроводные подходы в построении транспортной сети. Оптический бэкхол обеспечивает более высокую полосу пропускания, надёжность и масштабируемость, чем радиорелейные и спутниковые альтернативы, особенно в условиях высокой плотности базовых станций.

Рис. 1. Сравнение типов оптического бэкхола: проводной (Fiber) vs беспроводной (Microwave)

Наконец, масштабируемость оптоволоконных транспортных сетей подтверждена кросс-сервисной ролью: волоконно-оптическая инфраструктура объединяет мобильный трафик, широкополосную передачу и подключение индустриальных объектов, что подтверждается как в промышленных исследованиях, так и в практике операторов.

Проведённый анализ технических аспектов проектирования оптоволоконных линий связи (ОК) для сотовой инфраструктуры на основе актуальных открытых источников демонстрирует высокую сложность и многогранность инженерных задач, требующих тщательного учёта физических, технологических и эксплуатационных факторов. В первую очередь, при прокладке оптических магистральных и агрегационных сетей необходимо грамотно выбирать тип кабеля и его конструкцию: в связи с высокой требовательностью к дальности передачи преимущественно применяется одно‑режимное волокно (SMF G.652/657, G.655) на длинах волн 1310–1550 нм, обеспечивая расстояния до 30 км без усилителей. Этот выбор оправдан требованиями к дальности и низким задержкам, особенно для фронтхол‑мидхол сегментов сетей 5G и перспектив 6G, где архитектура C‑RAN требует передачи необработанных сигналов с задержками < 1–5 мс [4].

На рисунке 2 показано, как оптические линии используются для организации связности между удалёнными радиомодулями (RRU), распределёнными модулями (DU) и центральными модулями (CU), а также с ядром сети (Core Network). Сегментация необходима для учёта задержек, требований к полосе и оптимального размещения вычислительных ресурсов.

Рис. 2. Архитектура сотовой сети с разделением на фронтхол, мидхол и бэкхол сегменты

Вторым ключевым параметром является топология сети: распространены кольцевая, ячеистая и линейная схемы. Кольцевые сети обеспечивают устойчивость к отказам и быструю маршрутизацию в обход повреждённого сегмента, однако обладают высокой стоимостью прокладки. В вариантах с ячеистой структурой обеспечивается гибкая маршрутизация между фронтхол/мидхол узлами и агрегационными хабами.

Для малых сот (small‑cells) часто применяется дизайн FTTC или FTTN – использование существующей волоконной инфраструктуры для подключения новых узлов, что позволяет существенно снизить CapEx и сократить сроки развертывания. При этом важно учитывать выбор мощности и коэффициентов запаса для каналов, чтобы выдерживать нагрузку и обеспечить развитие сети в будущем [3].

Кабельная конструкция должна подбираться с учётом условий окружающей среды: вышеуказанные классические одиночные волоконно‑оптические кабели монтируются в трубопроводах или в подземных каналах; при прокладке по воздуху и между опорами ЛЭП предпочтение отдаётся ADSS‑кабелям – полностью диэлектрическим, самонесущим, позволяющим выдерживать пролёты до 700 м без промежуточной опоры. Это обеспечивает физическую надёжность и простоту монтажа воздушных линий.

Наряду с конструкционными решениями важен выбор мощности лазеров и системы усиления, соответствующих стандартам передачи CPRI/eCPRI/ROE. В современных системах бэкхол применяются WDM‑технологии для мультиплексирования десятков каналов на одном волокне, а также EDFA‑усилители в мидхол/транспортных узлах для компенсации потерь при протяжённости свыше 20 км. Реализация WDM позволяет организовать виртуализацию сети, поддерживая как фронтхол‑уровень, так и магистральные соединения.

При проектировании сети обязательно производится расчёт потерь (затухание в волокне, потери на соединениях/сварках/муфтах), запас мощностей, учитывающих старение кабельных материалов и возможные механические повреждения. Часто мощность выбирается с запасом 2-3 дБ, чтобы гарантировать SLA‑показатели на протяжении всего жизненного цикла линии.

Также учитываются нормы синхронизации, особенно при развертывании vRAN или Open RAN, где требуется GPS‑независимая синхронизация по IEEE‑1588/ITU‑G.8275.x – частоты и оптические фильтры должны поддерживать точность ±130 ns, что критично для корректной работы TDD‑систем и Massive MIMO‑антенн.

Не менее важна оптимизация монтажных конструкций: использование микрокабельных стоек у базовых станций, интеграция волоконных патч-панелей и ODF, обеспечение антикоррозийных оболочек и систему водо- и морозоизоляции. Процесс документации проработан: GIS‑карты, трассировка кабелей и учёт волокнопар в OSP/ISP‑средах – обязательные шаги из практики ведущих операторов.

Таблица 1 иллюстрирует сравнительные характеристики различных типов волоконных кабелей, применяемых в мобильной инфраструктуре.

Таблица 1

Сравнительные характеристики волоконно-оптических кабелей

Эксплуатация волоконно-оптических линий связи в условиях сотовой инфраструктуры сопряжена с рядом специфических задач, связанных как с внешними физическими факторами, так и с требованиями самой сети (такими как высокие скорости, резервирование, синхронизация). Таблица 2 систематизирует ключевые аспекты, на которые должны обращать внимание операторы связи, чтобы обеспечить бесперебойную и эффективную работу сети, особенно в эпоху активного развертывания 5G.

Таблица 2

Основные особенности эксплуатации оптоволоконных линий связи в инфраструктуре сотовой связи

Современный этап внедрения сетей 5G требует принципиально новой оптической инфраструктуры. Рост требований по скорости, задержке, надёжности и количеству одновременно подключённых устройств делает оптоволокно основным транспортом в RAN и ядре сети. Согласно Corning, для реализации ключевых KPI 5G необходима плотная «fiber‑rich» инфраструктура, способная выдержать триллионы мегабит и миллиарды устройств. Всё большее значение приобретают edge‑вычисления (MEC), поскольку они позволяют сократить задержку, перенося обработку данных ближе к пользователю [1].

Отмечается, что ультра‑плотные сети small‑cell создают узкое место (бэкхол), предъявляя экстремально высокие требования к пропускной способности, задержкам и надёжности транспортных линий. Специалисты подчёркивают, что для сетей 5G нет уникального решения проблемы обратного канала, но оптические сети являются базовым компонентом.

Для фронтхол/мидхол сегментов идеальным выбором становятся технологии пассивных и активных оптических решений без высокой стоимости и латентности. При проектировании фронтхола для C‑RAN и 5G/6G предпочтительно использовать оптику благодаря её высокой пропускной способности и низкой задержке; приводится ILP‑основанная оптимизация стоимости и индустриальные подходы (кластеризация, генетические алгоритмы).

Переход к 6G создаёт ещё более жёсткие вызовы: важно обеспечить масштабируемость на терагерцовых диапазонах (>300 ГГц) и mmWave-сегментах. Для перехода на 6G потребуется передача сигналов в диапазоне до оптических частот IR/VIS, а также интеллект в управлении (AI/ML) и повторно настраиваемые среды рендеринга – все это требует соответствующей оптической основы [2].

Одной из ключевых методик 3GPP Rel‑16/Rel‑17 стала концепция IAB (Integrated Access and Backhaul): wireless‑backhaul как дополнение к волокну, позволяющее быстро масштабировать сети в mmWave‑диапазонах с плотным размещением сот. Однако волокно остаётся «золотым стандартом» за счёт надёжности и высокой ёмкости.

Таким образом, развитие сетей 5G и грядущих 6G обуславливает:

• Необходимость оптического транспорта во всех сегментах (фронтхол, мидхол, бэкхол).
• Применение DWDM, EDFA и интеллектуального мониторинга.
• Внедрение алгоритмической оптимизации трасс, используя ИИ и генетические подходы.
• Интеграцию с SDN/NFV, MEC, синхронизацией G.8275 и PTP.
• Гибридные архитектуры, объединяющие волокно и беспроводную бэкхол.

Выводы

Проведённый анализ подтверждает, что волоконно-оптические линии связи являются критическим элементом при формировании устойчивой и масштабируемой инфраструктуры сотовой связи нового поколения. Рост объёмов трафика, снижение допустимых задержек, внедрение распределённых архитектур и виртуализация компонентов (vRAN, MEC) формируют новую инженерную повестку, в которой оптоволокно выступает базовым звеном. На этапе проектирования особое значение имеют: выбор типа кабеля в зависимости от условий прокладки, оптимизация топологии (кольцевая, ячеистая, линейная), резервирование, расчёт мощности, внедрение WDM и соответствие требованиям к синхронизации.

В эксплуатации важны мониторинг, защита от внешних факторов, учёт деградации, соответствие SLA. Внедрение технологий 5G и подготовка к 6G требует переосмысления оптической инфраструктуры: она должна быть не просто пропускной магистралью, а интеллектуальной системой с поддержкой SDN, AI-мониторинга и гибридных подходов.