使航空光纤部署更快、更高效

在全球范围内，仍有超过35亿人没有接入互联网。随着人均数据使用量以每年20%到30%的速度增长，传统的带宽受限技术已经达到了容量极限。为了满足对大容量、低成本网络日益增长的需求，移动网络运营商已经将接入技术从2G和3G升级到4G甚至更高，而有线接入网络已经从DSL和同轴网络转移到光纤到户。无论使用哪种接入技术，要支持区域中服务的更大容量，光纤必须从主干上移至更靠近最终用户的位置。Facebook Connectivity与多家合作伙伴合作，在过去几年中开发了一种空中光纤部署解决方案，该解决方案使用设计用于在中压(MV)电力线上安全部署专用光缆的机器人。

该系统结合了机器人和光缆设计领域的创新，通过利用电气基础设施大幅降低了部署光纤的成本。虽然光纤束的强度和大小以及一束光纤束可以承载的数据量都有了巨大的改进，但还没有广泛适用的解决方案来降低光纤建造成本。由于部署光纤的成本几乎全部来自建设，这是我们想要解决的领域。如果成功，我们相信这项技术将使光纤能够有效和可持续地部署在距离世界大部分人口几百米的范围内。我们预计明年将看到这种光纤部署系统的技术试验。

我们的目标是使这项技术能够在农村和低收入社区以及富裕社区平等建设光纤，开放光纤接入，公平和公平的定价，随着流量的增长降低容量价格，并与电力公司分享光纤网络的好处。

Facebook已经确定NetEquity网络公司是部署这项新的创新技术的第一个合作伙伴，并打算向NetEquity网络公司提供部署使用该技术的光纤网络的非独家免版税许可。Facebook在NetEquity Networks没有财务股权，也不会拥有或运营他们部署的光纤网络。

今天，光纤是让更多的人以更快的速度上网的关键因素，因为它的带宽是任何其他技术的数千倍。然而，部署光纤网络的成本和复杂性阻碍了大规模部署。

截至2019年，超过70%的世界人口居住在距离光纤10公里以上的地方。这一点在最近的大流行期间得到了痛苦的说明，因为社区不得不适应远程工作和上学所需的带宽密集型应用程序几乎持续不断的使用。

当我们在非洲农村旅行时看到电网基础设施无处不在后，我们第一次想到了利用电力基础设施的想法。世界银行将乌干达列为截至2018年仅有约43%的电气化比率，但我们可以看到，MV电网(以黄色显示)比该国的总光纤足迹(以红色显示)的普及率高出数量级。

由于长传输线通常悬挂在高大的格子塔上，输电网的功能类似于互联网主干，将发电站与变电站连接起来。电力从变电站沿着中压线路输送到社区进行分配。电网架构旨在经济高效地将电力分配给家庭和企业。我们意识到，使用光纤遵循相同的网格可能是构建端到端电信网络的有效方式。由于地下建筑比空中建筑昂贵得多，电力基础设施几乎完全是城市中心和富裕社区以外的空中建筑。为了利用电网并降低光纤部署的成本，我们因此选择专注于空中光纤建设。

进行空中光纤部署时，必须准备好现有基础设施来支持新的光缆附件，包括测量和分析杆件负载、移动现有附件、添加拉索导线和升级杆件。这项工作统称为现成工作，它占空中建筑成本的相当大一部分。在电力部门，有一项不会触发这项准备工作的操作，那就是安装一个接头来修复断裂的电力线导体。修复接头每个重约一磅，公用事业公司通常允许将其中几个添加到一条线路上，而不需要任何准备工作，因为相对于它所连接的导体的重量，增加的负荷是微不足道的。这一事实与传统的空中光纤部署无关，但对于一种不太常见的光纤安装方法(称为螺旋缠绕或光纤连接电缆)具有重要意义。

螺旋缠绕法最早出现于20世纪80年代初，它使用一台机器将光缆缠绕在现有的电力线导体上。由于光缆缠绕在支撑导体上，因此没有必要在杆子上留出新的空间或在高压下将其拉出。这消除了对昂贵、耗时的准备工作的需要。

对于架空高压(HV)和中压输电线，几乎无处不在的裸架空导线依靠导线周围的空隙来防止电弧和火灾。这个空间也为机器的出行提供了便利的路径。螺旋包裹机的工作原理是使用一个简单的齿轮机构将沿电力线导线的向前运动锁定到旋转部分，旋转部分围绕导体旋转一卷光纤和一个配重。导体周围的间隙和它的强度决定了一次可以运送多少光纤。向前移动是由燃气马达或用绳子拖拽机器的人提供的。穿越障碍物是人工完成的，需要起重机将机器抬过障碍物。装卸机器依靠起重机或直升机。由于这些限制，螺旋缠绕方法主要仅用于传输栅格。由于中压线路与传输线不同，它运行在距离世界上大多数人口几百米的范围内，因此找到一种经济高效地在中压电网上包裹光纤的方法可能会对全球连接产生重大影响。

但是中压导线对于螺旋包装机来说是一个更具挑战性的环境。对于给定距离的中压导线，障碍物大约多出10倍，因此手动穿越障碍物的方法不划算。为了维持电网正常运行时间，需要在线路通电的同时进行安装，这意味着需要最大限度地减少人员接触，以确保线路工人的安全。中压导线周围的间隙也要小一个数量级，这使得传统的线轴或缠绕机无法携带大量电缆。使事情更加复杂的是，用于中压电力线的导线更薄、更弱，限制了包装机、光缆和配重的总重量。我们的光纤展开系统是一种MV螺旋缠绕解决方案，可解决这些挑战，将航空光纤建设成本降低3倍至5倍。

光缆的大小和重量是在MV空间中使螺旋缠绕具有成本效益的最重要因素。熔接以连接光缆各部分是一个缓慢且昂贵的过程，因此应该部署最小连续长度的光缆。由于两台反向移动的机器可以携带背靠背相连的纤维卷轴，因此接头之间的最大距离是包装机容量的两倍。为了与最细的电力线导线兼容，我们选择每个机器人的最小电缆容量略高于1公里。

虽然室外光缆的直径仅比典型的室内电缆大几毫米，但千米长的室外光缆的大小和重量要大10倍以上。

那么，为什么传统光纤建设中使用的光缆直径这么大呢？电缆直径的主要驱动因素是其中包含的股数。单束光纤的带宽为53,000 GHz。这将足以满足整个地区的容量需求。但是，由于光纤链路预算有限，必须仔细管理插入损耗和分路器损耗，从而限制光信号可以分割的次数，进而限制可以从一根光纤馈送的端点数量。由于建设成本明显高于光纤束，并且特定光纤路由的客户数量通常不可预测，因此公司通常会夸大

除了所有常见的机械和环境压力之外，户外光缆还必须存活下来，使用中压电源线作为支撑增加了许多额外的挑战。首先是电压应力。中压导线的电压可能高达35kV，这可能会导致跟踪、局部放电和干带电弧等退化现象。电力线还可以看到温度升高，远远高于典型光纤夹套的熔点，由于热变化和风致风沙振动导致的电力线伸展可能会在光纤上引起应变。

为了解决这些挑战，我们请来了资深电缆设计师韦恩·卡奇马(Wayne Kachmar)。该设计与多家合作伙伴公司和学术顾问共同开发，采用G.657 200微米纤维，采用特别定制的芳纶配置和高强度、耐高温、耐履带的聚合物护套，能够在较小的外形尺寸内满足这一应用的要求。

即使使用4 mm外径的电缆，由于电缆体积和配重的原因，我们仍然存在问题。传统的螺旋缠绕解决方案使用一个标准的卷轴，当电缆绕导体旋转时，该卷轴会旋转以将电缆放好。

当标准线轴偏离导体时，导体周围的可用间隙将限制最大法兰直径和线轴高度。因此，即使减小了纤维直径，标准卷轴也无法承载所需的纤维量。此外，偏置卷轴的重心需要配重，这反过来又会限制包装机的重量预算。

在过去的几年里，解决这个问题采取了几十种非常不同的方法，从带有驱动表面的线轴、曲线线轴，甚至多轴心轴，不一而足。最后，我们的解决方案是对最初为军事应用开发的一种技术进行了升级，该技术根本不需要假脱机。相反，我们创建了无线轴电缆线圈几何结构，它满足导体周围的所有间隙要求，允许通过障碍物，同时将质心保持在距离电力线中心2 mm的范围内，从而消除了对线轴和配重的需求。

这就把我们带到了最后一个大挑战，那就是包装机本身。如前所述，中压导线最常部署在裸露的架空配置中，这种配置依赖于未绝缘导线周围的间隙来防止电弧或火灾。随着全球数以千计的电力设施和一百多年来不断发展的标准的发展，支撑结构、绝缘体、水龙头和其他障碍物的排列数量是巨大的。然而，管理导线支架设计的要求有一个共同的目标，那就是防止电气危险，因此安全穿越这些障碍物所需的间隙、接近角度和负载限制可以提炼成一套共同的、尽管具有挑战性的要求。

首先，我们的系统需要允许在导体通电时安装光纤。这是必要的，因为长时间的停电会给该地区的家庭和企业带来不便。反过来，这一要求使得包装机必须能够在没有人工帮助或干预的情况下穿越其路线上的所有障碍物。为了找到这个问题的解决方案，我们与全球多家机器人公司进行了交谈。最后，我们选择了ULC Robotics，基于他们创新的概念设计和十多年为高可靠性实用应用设计机器人的经验。

由此产生的ULC设计包括一对驱动子系统、一个升降子系统和一个旋转子系统。机器人的驱动子系统包括一对被驱动的夹爪，它们可以相对于彼此移动，以容纳障碍物和导体角度。为了通过障碍物，升降机子系统将有效载荷和旋转子系统从其正常的电缆缠绕位置(其质心与电力线对齐)提升到清除障碍物。在此操作过程中，机器人处于不平衡状态(就像走钢丝一样)，并在穿越障碍物时使用稳定器来保持自身平衡，之后降低有效载荷和旋转子系统，并继续缠绕操作。

该机器人还包括一个视觉系统，用于识别障碍物并适当调整其运动，以清除障碍物，同时保持防止电气危险所需的净空。机器人的形状和材料特性目前正在进行优化，以实现重量和带电线路上的安全操作。

每个机器人将能够安装超过一公里的光纤，并在大约一个半小时内自动通过数十个介于其间的障碍物。为了考虑设置、加载和卸载机器人、安装过渡等人类交互步骤，我们一直保守地估计每个机器人平均每天的总体构建速度为1.5公里至2公里。

传统的空中光纤布设涉及重型机械、卷轴小车、大型线轴和大型船员，而部署我们解决方案的光纤布线班组将包括两到三个电力设施线路人员和一辆皮卡，其中包括几公里长的光纤线轴、一个机器人和一些附件，从而允许多个班组并行工作。这些配件将包括由我们的合作伙伴广达服务公司开发的设备，该设备旨在允许生产线工作人员从带电线路安全装卸机器人。还有一个定制的电缆夹，可用于使用热棒定期将光纤夹在电力线上，以及专门设计的拼接盒和相位对地组件。我们预计，在发展中国家，包括人工、折旧和材料在内的总成本将在每米2美元到3美元之间。

通过降低空中光纤部署的总成本，我们预计我们的系统将对互联网普及率产生重大影响，特别是在每天收入低于5.50美元的世界一半地区。这要归功于每根光纤的巨大带宽带来的微妙好处，这使得只需对光纤两端的电子设备进行简单更改，即可进行大容量升级。如下图所示，成本每小幅度增加一次，我们的容量就会大幅增加，从而导致每位成本随时间的推移而下降。我们相信，光纤的这一特性将有助于使那些即使是收入最低的人也能够负担得起互联网提供的所有丰富内容，有助于弥合数字鸿沟。

虽然在首次部署之前我们仍有许多步骤需要完成，但我们有信心这种方法将大幅提高光纤部署的成本和速度。要实现这些改进，需要与电力公用事业公司密切合作。这项技术依赖于关键的电力公用事业基础设施，因此只有通过与当地电力公司合作进行部署和运营，才能使用该技术。我们相信，光纤也将为电力公用事业公司的运营提供通信好处。我们希望这项技术将在世界各地大规模部署光纤，并希望丰富容量的好处将为最终消费者带来更低的价格。

虽然提到的人太多了，但如果我们不承认Robert Olding、James Mass、Richard Ahlschlager和他在南非Aurecon/Zutari的团队、Greggory Bell和他在广达服务的团队、我的同事Carlos Vera以及我的经理和导师Yael Maguire的支持，我们就是玩忽职守，没有他，这个项目就不会有今天的成就。