Тема проекта:

Проект строительства волоконно-оптической линии связи между Хабаровском и Бикином

Содержание

Реферат

Введение

1. Обоснование необходимости организации ВОЛС на участке Хабаровск - Бикин

2. Разработка ситуационной схемы

3. Выбор системы передачи и типа оптического кабеля

3.1 Определение требуемого числа каналов

3.2 Выбор системы передачи и ее характеристика

3.3 Выбор типа оптического кабеля

4. Расчет параметров оптического кабеля

4.1 Расчет числовой апертуры

4.2 Расчет затухания ОК

4.3 Расчет дисперсии и пропускной способности

4.4 Расчет длины регенерационного участка

4.4.1 Расчет длины РУ по дисперсии

4.4.2 Расчет длины РУ по затуханию

4.5 Расчет диаграммы уровней передачи

4.6 Расчет защищенности от взаимных помех в ВОЛС

4.7 Расчет вероятности повреждения ВОЛС молнией

5. Расчет показателей надежности кабельной магистрали

5.1 Расчет надежности на участке Хабаровск - Переяславка

5.2 Расчет надежности на участке Переяславка - Вяземск

5.3 Расчет надежности на участке Вяземск - Бикин

5.4 Расчет надежности на участке Хабаровск - Бикин

6. Разработка схемы организации связи

7. Организация работ по прокладке и монтажу ВОЛС

7.1 Способ прокладки кабеля в грунт

7.2 Прокладка кабеля в полиэтиленовых трубках

7.3 Сращивание волоконно-оптических кабелей

8. Расчет технико-экономических показателей

8.1 Расчет капитальных затрат

8.2 Расчет доходов от услуг связи

8.3 Расчет численности производственных работников

8.4 Расчет эксплуатационных расходов

8.5 Расчет основных экономических показателей

9. Охрана труда и техника безопасности

9.1 Общие положения

9.2 Меры безопасности при прокладке кабеля

9.3 Меры первой помощи при поражении лазерным излучением

9.4 Меры безопасности при эксплуатации систем передачи

9.5 Охрана окружающей природной среды

Заключение

Список использованных источников

РЕФЕРАТ

Дипломный проект содержит текстовую часть в количестве 70 листов, 3 рисунка, 9 таблиц. Использовано 9 литературных источников, сеть интернет. В процессе проектирования использовались учебники и справочники по линиям и кабелям связи, ведомственные нормы технологического проектирования, техническое описание оборудования SDH, карты местности проектируемой магистрали, экономическо-географическое положение южной части Хабаровского края.

Волоконно-оптическая линия связи, волоконно-оптическая система передачи, волокно, световод, оптический кабель, цифровая система передачи, плезиохронная система передачи, лазер, апертура, затухание, дисперсия, излучатель, частота, помехозащищенность, сигнал, помеха, грунт, кабель, оболочка, броня.

Объектом исследования дипломного проекта является организация волоконно-оптической линии связи на участке Хабаровск - Бикин. Цель работы - определение целесообразности внедрения цифровой системы передачи по волоконно-оптической линии связи, выбор системы передачи и марки оптического кабеля. Объективность внедрения ВОЛС доказана путем технического и экономического расчетов. При внедрении проекта необходимо установить оборудование плезиохронной цифровой иерархии и проложить волоконно-оптическую линию связи между пунктами, указанными в задании на дипломное проектирование.

Были собраны информационные данные, рассмотрены перспективы развития и применения ВОЛС, сделаны выводы о необходимости построения линии связи и на основе этого проведены необходимые расчеты параметров ОК и объема оборудования. Сделан технико-экономический анализ. Рассмотрены вопросы по обеспечению безопасности жизнедеятельности.

ВВЕДЕНИЕ

На современном этапе развития общества в условиях научно-технического прогресса непрерывно возрастает объем информации. Как показывают теоретические и экспериментальные исследования, продукция отрасли связи, выражающаяся в объеме передаваемой информации, возрастает пропорционально квадрату прироста валового продукта народного хозяйства. Это определяется необходимостью расширения взаимосвязи между различными звеньями народного хозяйства, а так же увеличением объема информации в технической, научной, политической и культурной жизни общества. Повышаются требования к скорости и качеству передачи информации, увеличиваются расстояния между абонентами. Связь необходима для оперативного управления экономикой и работы государственных органов, для повышения обороноспособности страны и удовлетворения культурно-бытовых потребностей населения.

В настоящее время широкое развитие и применение получила волоконная оптика. Темпы роста волоконной оптики и оптоэлектроники на мировом рынке опережают все другие отрасли техники и составляют 40 % в год.

Оптические кабели, наряду с экономией цветных металлов, обладают следующими достоинствами:

- широкополосность, возможность передачи большого потока информации (несколько тысяч каналов);

- малые потери и соответственно большие длины регенерационных участков;

- малые габаритные размеры и масса;

- высокая защищенность от внешних воздействий и переходных помех;

- надежная техника безопасности (отсутствие искрения и короткого замыкания).

Создание высоконадежных оптических систем связи стало возможным в результате разработки в начале 70-х годов оптических волокон с малыми потерями. Такие волокна в значительной мере стимулировали разработку специального оборудования и элементов линейного тракта ВОСП.

В современных оптических системах передачи применяются те же методы образования многоканальной связи, что и в обычных системах передачи по электрическому кабелю, т. е. частотный и временной методы разделения каналов. Во всех случаях оптической передачи электрический канал, создаваемый частотным или временным методом, модулирует оптическую несущую. В модулированном виде световой сигнал передается по оптическому кабелю. В оптических системах передачи, как правило, применяется цифровая (импульсная) передача. Это обусловлено тем, что аналоговая передача требует высокой степени линейности промежуточных усилителей, которую трудно обеспечить в оптических системах. Таким образом, наиболее распространенной системой связи является цифровая система с временным разделением каналов и импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ), использующая модуляцию интенсивности излучения источника. Дуплексная связь осуществляется по двум волоконным световодам, каждый из которых предназначен для передачи информации в одном направлении. В основном используются системы ИКМ на 30, 120, 480 и 1920 каналов.

В настоящее время широко используются системы передачи относящиеся к так называемой плезиохронной цифровой иерархии (PDH), в которых используются асинхронные методы объединения цифровых потоков, скорости которых могут незначительно отличаться друг от друга.

Плезиохронные системы обладают рядом недостатков, поэтому в последние годы происходит бурное внедрение высокоэффективных систем, относящихся к так называемой синхронной цифровой иерархии.

1. ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ ОРГАНИЗАЦИИ ВОЛС НА УЧАСТКЕ ХАБАРОВСК - БИКИН

Процесс глобального развития информатизации общества происходит колоссальными темпами. С каждым годом значительно увеличивается объем потоков передаваемой информации. Вместе с тем повышаются требования к скорости и качеству передачи. Успешное решение этой задачи во многом зависит от качества линий связи. Традиционные симметричные и коаксиальные кабели связи не отвечают новым требованиям. Выходом из создавшегося положения стало широкое применение волоконно-оптических кабелей связи в сочетании с цифровыми системами передачи.

Нужно отметить, что, несмотря на экономические трудности, развитие отрасли связи в Хабаровском крае, происходит заметными темпами. Предлагаются новые виды и средства связи, внедряются новейшие технологии, расширяется спектр дополнительных услуг. Хабаровск сейчас наиболее остро нуждается в связи с районными центрами края. С некоторыми из них, связь в данное время осуществляется при использовании аналоговых систем, обладающих малой помехозащищенностью и пропускной способностью. На сегодняшний день, для связи Хабаровска и Бикина, ОАО Электросвязь арендует аналоговые каналы у таких организаций, как ТЦМС-15 и ДВЖД. Каналов, предоставляемых по устаревшим системам К_60П, не хватает, и качество связи уже не устраивает потребителей.

Темой данного проекта является строительство волоконно-оптической системы передачи между городами Хабаровск и Бикин. Это, во-первых, позволит устранить расходы на аренду; во-вторых, будет организовано большое количество высокоскоростных цифровых каналов. По заданию, необходимо предусмотреть выделение потоков в Переяславке и Вяземске, что обеспечит эти населенные пункты надежной и качественной связью, следовательно, и такими услугами, как интернет, аудиоконференция, телеголосование, речевая и факсимильная почта, интернет-телефония, справочно-информационные системы на основе глобальной интеллектуальной платформы.

Развитие средств связи на Дальнем Востоке имеет важнейшее значение для эффективного управления народным хозяйством страны, четкой работы государственного аппарата, повышения обороноспособности, удовлетворения культурно-бытовых потребностей населения.

2. РАЗРАБОТКА СИТУАЦИОННОЙ СХЕМЫ

При выборе трассы необходимо обеспечить: выполнение наименьшего объёма работ при строительстве; наикратчайшее протяжение трассы; наименьшее число препятствий, усложняющих и удорожающих стоимость строительства; максимальное применение механизации при строительстве; создание наибольших удобств при эксплуатационном обслуживании; наименьшие затраты по осуществлению защиты линий от установок сильного тока и атмосферного электричества. Между заданными пунктами трасса выбирается с таким расчётом, чтобы обслуживаемые пункты располагались в городах или посёлках, где они могут быть обеспечены водой, электроэнергией, топливом и жилищем для обслуживающего персонала.

Трасса ВОЛС на участке Хабаровск - Бикин определена направлением автодороги между этими городами. Кабель по всей трассе, проходящей через населенные пункты Переяславка и Вяземск намечено проложить в грунте и частично - в кабельной канализации. Общая протяженность трассы составляет 230 км.

Характерной особенностью трассы ВОЛС является равнинная, низкая с заболоченными и залесенными участками местность, пересеченная множеством рек, ручьев, стариц и русел временных водотоков. Местами среди равнины возвышаются гряды мелкосопочника.

В геологическом отношении трасса сложена глинами, суглинками, слюдистыми и глинистыми сланцами и кварцитами. На возвышенных участках встречаются скальные грунты, выветрившиеся до дресвы и щебня. Глубины промерзания грунтов до 1,4 метров. Озерно-болотные отложения представлены торфянистыми и глинистыми грунтами, мощность торфа от 0,3 м до 1,5 м.

Характеристики трассы:

максимальная скорость ветра 32 м/с;

минимальна температура -41?С;

абсолютная максимальная температура 35?С;

среднегодовая температура воздуха +0,8?С;

район гололёдности второй;

Трассой ВОЛС пересекаются крупные реки Кия, Хор, Подхорёнок, Бира и множество мелких рек и ручьев. Русла и долины рек сложены гравийно-галечниковыми грунтами и глинистыми грунтами с включением обломочного материала.

Геологические условия трассы позволяют выполнять прокладку кабеля, в основном, кабелеукладчиком. Лишь на участках со скальным грунтом, которые составляют около 6 % от общей протяженности трассы, предполагается применение экскаваторной техники для разработки траншей. На стесненных участках местности, а также в местах пересечений с существующими подземными коммуникациями, предполагается разработка траншей вручную с последующей укладкой в нее волоконно-оптического кабеля.

При прохождении трассой кабеля труднопроходимых заболоченных участков, а также небольших рек и ручьев глубиной более 1 метра, предусматривается перетяжка кабелеукладчика на удлиненных тросах.

На переходах через крупные реки - Кия, Хор, Подхорёнок и Бира прокладка кабеля намечена по мостам.

Пересечение через железные и асфальтированные шоссейные дороги намечено, в основном, выполнить методом прокола, а через автодороги местного значения и подземные коммуникации - открытым способом.

Защита кабелей от ударов молнии обеспечивается относом трассы от возвышенных предметов (деревья, опоры воздушных линий и т.д.).

Для прокладки ВОЛС в грунте целесообразно использовать одномодовый волоконно-оптический кабель с коэффициентом затухания 0,22 дБ/км на длине волны 1,55 мкм отечественного производства.

3. ВЫБОР СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ И ТИПА ОПТИЧЕСКОГО КАБЕЛЯ

3.1 Определение требуемого числа каналов

Произведём расчёт числа каналов, необходимых для обеспечения связи между Хабаровском и Бикином. В соответствии с заданием предусматривается выделение в Переяславке и Вяземском. Число каналов зависит от численности населения этих городов, а также от степени заинтересованности отдельных групп населения во взаимосвязи.

Количество населения в заданном пункте и его окрестностях с учётом среднего прироста населения определим по формуле :

H_t = H₀^t, чел.,(3.1)

где H₀ -народонаселение в период проведения переписи, чел;

P-среднегодовой прирост населения в данной местности (2-3%), %;

t-период, определяемый как разность между назначенным годом

проектирования и годом проведения переписи населения.

t = 5 + (t_m - t₀),(3.2)

гдеt_m - год составления проекта;

t₀ - год, к которому относятся данные Н₀;

t = 5 + (2000 - 1995) = 10

По формуле (3.1) определим численность населения в г. Хабаровск :

Н_t = 617600¹⁰ = 752851 чел.

Определим численность населения в п. Переяславка :

Н_t = 23500¹⁰ = 28647 чел.

Определим численность населения в г. Вяземск :

Н_t = 17800¹⁰ = 21698 чел.

Определим численность населения в г. Бикин :

Н_t = 22300¹⁰ = 27184 чел.

По последним данным, численность населения в районах на 2000 год составила:

- Район имени Лазо - 59300 чел.;

- Вяземский район - 28100 чел.;

- Бикинский район - 29500 чел.

Рассчитаем количество телефонных каналов :

(3.3)

где и -постоянные коэффициенты, соответствующие фиксированной

доступности и заданным потерям, = 1,3; = 5,6

- коэффициент тяготения, = 5%

- удельная нагрузка,= 0,05 Эрл

и -количества абонентов, обслуживаемых оконечными станциями

АМТС соответственно в пунктах А и Б.

Определим количество абонентов в зоне АМТС :,(3.4)

тогда:для Хабаровска чел.;

для Переяславки чел.;

для Вяземска чел.;

для Бикиначел.

По формуле (3.3) получаем количество каналов между пунктами:

Хабаровск - Переяславка кан.;

Хабаровск - Вяземск кан.;

Хабаровск - Бикин кан.

Рассчитаем общее число каналов:

,(3.5)

где- число двухсторонних каналов для телефонной связи;

- то же для телеграфной связи;

- то же для передачи проводного вещания;

- то же для передачи данных;

- то же для передачи газет;

Общее число каналов можно рассчитать по упрощённой формуле:

.(3.6)

Получаем количество телефонных каналов между пунктами:

Хабаровск - Переяславка кан.;

Хабаровск - Вяземск кан.;

Хабаровск - Бикин кан.

В последнее время получили широкое распространение такие услуги, как аудиоконференция, телеголосование, речевая и факсимильная почта различных уровней, интернет-телефония, справочно-информационные системы на основе глобальной интеллектуальной платформы. На период 1998г.-2010г. в России должна быть создана современная развитая цифровая сеть:

- Цифровая сеть с интеграцией служб;

- Широкополосная цифровая сеть с интеграцией служб;

- Интеллектуальная сеть;

- Сеть передачи данных;

- Мобильная сотовая и сети персонального радиовызова.

В связи с планированием введения вышеперечисленных услуг решено предоставить для Переяславки 6 потоков со скоростью 2 Мбит/с, для пунктов Вяземск и Бикин - по три потока.

3.2 Выбор системы передачи и её характеристика

Исходя из найденного числа каналов для обеспечения требуемой пропускной способности выбираем оборудование плезиохронной цифровой иерархии PDH.

На магистрали Хабаровск _ Бикин предусматривается организация оптической линии на уровне 34М в режиме 1+0. На данном участке устанавливаются мультиплексоры ENE - 6058, обеспечивающие мультиплексирование шестнадцати цифровых потоков со скоростью 2 Мбит/с в один поток 34 Мбит/с. Для преобразования электрических сигналов 34 Мбит/с в оптические устанавливаются оптические конверторы FD-3250 на длину волны 1,55 мкм. Для преобразования существующих аналоговых сигналов 0,3 - 3,4 кГц и цифровых потоков 64 Кбит/с в потоки 2 Мбит/с, используются мультиплексоры ENE-6011.

Всё поставляемое оборудование PDH размещается в узкой стойке N6000, (высота-ширина-глубина) 2100*240*225

Поставляемое оборудование компании NEC/ЭЗАН г. Черноголовка отвечает стандартам МСЭ, ETSI и рассчитано на рабочее напряжение постоянного тока -60 В.

В качестве кроссового оборудования для оптического кабеля и для цифровых 2 Мбит потоков поставляется оптический магистральный кросс N8777JP (рассчитан максимально на 48 волокон) и оптический стационарный кросс N8778 GD (на 10 оптических адаптеров).

Это оборудование размещается на кроссовых стойках N8778 (высота-ширина-глубина) 2100*240*225 и поставляется исходя из количества оптических волокон и 2 Мбит потоков.

3.3 Выбор типа оптического кабеля

Оптический кабель состоит из скрученных по определенной системе оптических волокон из кварцевого стекла (световодов), заключенных в общую защитную оболочку. При необходимости кабель может содержать силовые (упрочняющие) и демпфирующие элементы. Основным элементом OK является оптическое волокно (0В), характеристики которого и определяют оптические параметры кабеля. В России при производстве ОК используют одномодовые и многомодовые 0В. Лучшими параметрами обладают кабели, имеющие более низкое затухание оптической мощности и более стабильные значения диаметра 0В (125 мкм) и сердцевины, ее местоположения относительно оптической оси и эллиптичности, т. е. геометрических параметров 0В. Это крайне важно при операциях сварки, муфтировании ОК и заделки 0В в оптические соединители.

Существующие ОК по своему назначению могут быть классифицированы на три группы: магистральные, зоновые и городские.

Магистральные ОК предназначаются для передачи информации на большие расстояния и значительное число каналов. Они должны обладать малыми затуханием и дисперсией и большой информационно-пропускной способностью. Используется одномодовое волокно с размерами сердцевины и оболочки 8/125 мкм. Длина волны 1,3...1,55 мкм.

Зоновые ОК служат для организации многоканальной связи между областным центром и районами с дальностью связи до 250 км. Используются градиентные волокна с размерами 50/125 мкм. Длина волны 1,3 мкм.

Городские ОК применяются в качестве соединительных между городскими АТС и узлами связи. Они рассчитаны на короткие расстояния (до |10 км) и большое число каналов. Волокна - градиентные (50/125 мкм). Длина волны 0,85 и 1,3 мкм. Эти линии, как правило, работают без промежуточных линейных регенераторов.

Однако все многообразие существующих типов кабелей можно подразделять на три группы:

- кабели повивной концентрической скрутки;

- кабели с фигурным сердечником;

- плоские кабели ленточного типа.

Кабели первой группы имеют традиционную повивную концентрическую скрутку сердечника по аналогии с электрическими кабелями. Каждый последующий повив сердечника по сравнению с предыдущим имеет на шесть волокон больше. Известны такие кабели преимущественно с числом волокон 7, 12, 19. Чаще всего волокна располагаются в отдельных пластмассовых трубках, образуя модули.

Кабели второй группы имеют в центре фигурный пластмассовый сердечник с пазами, в которых размещаются ОВ. Пазы и соответственно волокна располагаются по геликоиде, и поэтому они не испытывают продольного воздействия на разрыв. Такие кабели могут содержать 4, 6, 8 и 10 волокон. Если необходимо иметь кабель большой емкости, то применяется несколько первичных модулей.

Кабель ленточного типа состоит из стопки плоских пластмассовых лент, в которые вмонтировано определенное число ОВ. Чаще всего в ленте располагается 12 волокон, а число лент составляет 6, 8 и 12. При 12 лентах такой кабель может содержать 144 волокна.

В оптических кабелях, как правило, имеются следующие элементы:

- силовые (упрочняющие) стержни, воспринимающие на себя продольную нагрузку, на разрыв;

- заполнители в виде сплошных пластмассовых нитей;

- армирующие элементы, повышающие стойкость кабеля при механических воздействиях;

- наружные защитные оболочки, предохраняющие кабель от проникновения влаги, паров вредных веществ и внешних механических воздействий.

- броневые покровы кабеля в виде стальных лент или проволок.

На сегодняшний день наиболее экономически выгодным является использование отечественных оптических кабелей. В зависимости от конструкции и параметров, в России выпускаются такие марки кабелей, как ОК-50, ОЗКГ, ОКК, ОКЗ, ОКЛ, ОККС, ОМЗКГ, ОКБ, ОКДСт, ОКЛК, ОКГ и т.д.

В дипломном проекте, произведя анализ наиболее подходящих по конструкции и параметрам кабелей, выбор пал на волоконно-оптический кабель типа ОКБ-10-0,22-4 московской кампании «VERYSELL PROJECTS».

Сравнивая технические характеристики, ОКБ-10-0,22-4 имеет очевидные преимущества - гораздо меньшая масса (550 кг/км ), ниже коэффициент затухания (0,22 дБ/км), более высокая максимальная температура нагрева (180°С), допустимое раздавливающее усилие 1000 Н/см.

Основные характеристики кабеля приведены в таблице 3.1, вид кабеля показан на рисунке 3.1.

Таблица 3.1 - Характеристики кабеля ОКБ-10-0,22-4

Наименование	Параметр
Коэффициент затухания, дБ/км	0,22
Хроматическая дисперсия, пс/км·нм	18
Количество модулей	1
Количество волокон в модуле	4
Внешний диаметр модуля, мм	2,0
Максимальный внешний диаметр кабеля (Dкaб), мм	15
Минимальный радиус изгиба (при t не ниже -10 °С), мм	15,8
Температурный диапазон, °С	от -40 до +50
Допустимое растягивающее усилие, кН	20
Допустимое раздавливающее усилие, Н/см	1000
Масса кабеля, кг/км	550
Максимальная строительная длина, м	4000
Общие потери на сростках, дБ	0,1
Показатель преломления сердцевины ОВ	1,5
Показатель преломления оболочки ОВ	1,48

4. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ОПТИЧЕСКОГО КАБЕЛЯ

4.1 Расчет числовой апертуры

Для эффективной передачи энергии по световоду ввод луча в его торец необходимо осуществлять в пределах апертурного угла. Этот параметр определяет эффективность ввода излучения в волокно. Апертурный угол определяется показателями преломления сердцевины и оболочки.

Обычно пользуются понятием числовой апертуры, расчет которой производится по формуле:

,(4.1)

где- числовая апертура;

- показатель преломления сердцевины оптического волокна;

- показатель преломления оболочки волокна.

Показатели преломления и можно найти через относительную диэлектрическую проницаемость. В нашем случае показатели преломления сердцевины и оболочки известны исходя из технических данных кабеля ОКБ_10_0,22_4, приведенных в таблице 3.1.

,(4.2)

где- относительная диэлектрическая проницаемость сердцевины.

,(4.3)

где- относительная диэлектрическая проницаемость оболочки.

4.2 Расчет затухания ОК

Затухание - важнейший параметр оптического кабеля, который предопределяет длину регенерационных участков. Существуют две основные причины потерь в световодах - поглощение и рассеяние энергии. Кроме того, существуют потери за счет посторонних примесей (таких, как гидроксильные группы, наличие ионов металла и других) и за счет дополнительных потерь, обусловленных деформацией оптических волокон в процессе изготовления кабеля, скруткой, макро и микро изгибами волокон, а также технологическими неоднородностями в процессе изготовления волокна.

, дБ/км,(4.4)

где- собственные потери, дБ/км;

- потери на поглощение, дБ/км;

- потери на рассеяние, дБ/км;

- потери за счет примесей, дБ/км;

- дополнительные потери, дБ/км.

Поглощение света в стеклах определяется следующими тремя причинами: собственным поглощением материала световода, поглощением примесями и поглощением на атомных дефектах. Потери на поглощение существенно зависят от чистоты материала и при наличии посторонних примесей могут достигать значительной величины. Произведем расчет по формуле:

, дБ/км,(4.5)

где- показатель преломления сердцевины;

- тангенс угла диэлектрических потерь, ;

- длина волны, м.

Рассеяние обусловлено неоднородностями материала волокна, тепловой флуктуации показателя преломления и наличием в сердцевине микродефектов. Потери на рассеяние определяют по формуле:

(4.6)

дБ/км,

где- показатель преломления сердцевины;

- длина волны, м;

- постоянная Больцмана, Дж/К;

- температура изготовления стекла, К;

- коэффициент сжимаемости, м²/Н.

Потерями за счет посторонних примесей можно пренебречь, дополнительные потери в оптическом кабеле составляют 0,1 0,5 дБ/км. Для проекта выбран кабель, изготовленный по высокой технологии, в котором кабельные потери очень незначительны.

Полученное значение не превышает паспортного значение километрического затухания кабеля (0,22 дБ/км).

4.3 Расчет дисперсии и пропускной способности

Дисперсия - это рассеяние во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала, она приводит к увеличению длительности импульса при прохождении по оптическому кабелю. Существуют три типа дисперсии: модовая, материальная и волноводная. Дисперсионные искажения имеют характер фазовых искажений. При работе ЦСП они выражаются в уширении передаваемых импульсов и, как следствие, - в ограничении пропускной способности оптического кабеля.

Причинами дисперсии являются:

- существование большого количества мод;

- некогерентность источников излучения.

Дисперсия, возникающая вследствие существования большого количества мод, называется модовой ().

Дисперсия, обусловленная некогерентностью источника излучения, называется хроматической () и состоит из двух составляющих - материальной () и волноводной () дисперсий. Материальная дисперсия связана с зависимостью показателя преломления от длины волны n=f().

Волноводная дисперсия обусловлена зависимостью коэффициента распространения от длины волны =f().

Так как в нашем случае используется одномодовый кабель и модовой дисперсии нет, то результирующая дисперсия будет равна хроматической, которая определяется суммой материальной и волноводной:

, пс/км,(4.7)

где- результирующая дисперсия;

- хроматическая дисперсия;

- материальная дисперсия;

- волноводная дисперсия.

Материальная дисперсия определяется по формуле:

, пс/км,(4.8)

где- ширина спектра излучения источника, для лазерного источника

составляет 0,1...0,5 нм, в нашем случае нм;

- удельная материальная дисперсия материала, для кварцевого стекла на длине волны

Уширение импульсов, обусловленное волноводной дисперсией, определяется по формуле:

, пс/км,(4.9)

где- ширина спектра излучения источника, нм;

- удельная волноводная дисперсия материала, для кварцевого стекла на длине волны .

Таким образом, проведя необходимый расчет, получили значение результирующей дисперсии, равное 3 пс/км.

Наряду с ослаблением важнейшим параметром волоконно-оптических систем передачи является полоса частот F, пропускаемая световодом. Полоса частот пропускания определяется объемом информации, которую можно передать по оптическому волокну. Ограничение F применительно к цифровым системам передачи и обусловлено тем, что импульс на приеме приходит размытым, искаженным вследствие различных скоростей распространения в световоде отдельных его частотных составляющих. Пропускная способность рассчитывается по формуле:

МГцкм,(4.10)

где- полоса пропускания;

- результирующая дисперсия.

Из расчета видно, что полученное значение полосы пропускания позволяет осуществить работу выбранной системы передачи плезиохронной цифровой иерархии, у которой линейная скорость передачи информации составляет 34 Мбит/с.

4.4 Расчет длины регенерационного участка

Для цифровых систем передачи в регенераторах сигнал полностью восстанавливается, поэтому над дальностью связи понимается лишь длина регенерационного участка (РУ).

По мере распространения оптического сигнала по световоду снижается уровень мощности сигнала и увеличивается дисперсия. При заданных параметрах регенераторов и оконечных устройств максимальная длина регенерационного участка определяется затуханием и дисперсией. Затухание ограничивает расстояние по потерям в линейном тракте, а дисперсия, приводящая к уширению импульсов, приводит к возникновению кодовых ошибок на приеме и снижению качества передаваемой информации. Таким образом, при определении длины регенерационного участка необходимо выполнить два расчета:

- расчет длины РУ по дисперсии;

- расчет длины РУ по затуханию.

4.4.1 Расчет длины РУ по дисперсии

Для безискаженного приема ИКМ сигналов достаточно выполнить требование:

(4.11)

где- длительность импульса;

- результирующая дисперсия;

- длина регенерационного участка;

- длительность тактового интервала ИКМ сигнала;

или

(4.12)

где- тактовая частота линейного сигнала.

Если длительность паузы равна длительности посылки, то:

(4.13)

то есть уширение импульса, прошедшего световод одного участка , не превышает половины длительности тактового интервала. Это условие определяет соотношение для определения допустимой длины регенерационного участка:

км,(4.14)

где- тактовая частота;

- результирующая дисперсия.

Из этого соотношения следует, что при заданном типе кабеля допустимая скорость передачи обратно пропорциональна длине участка регенерации, то есть мы получили длину регенерационного участка, зависящую от дисперсии.

4.4.2 Расчет длины РУ по затуханию

Вторые расчетные соотношения можно получить из того, что мощность сигнала на входе фотоприемника не должна превышать максимальной и быть не ниже минимальной допустимой мощности, при которой обеспечивается требуемое качество связи, т. е. вероятность ошибки при ИКМ с некоторым запасом.

Для оценки максимальной длины участка регенерации используется соотношение:

,(4.15)

где-уровень мощности источника излучения, дБм;

-количество разъемных соединений;

-потери в разъемных соединениях (происходят при подключении

приемника и передатчика к ОВ), дБ;

-максимальная длина регенерационного участка, км;

-строительная длина кабеля, км;

-потери в неразъемных соединениях (при сварке строительных длин

кабеля), а дБ;

-рассчитанный коэффициент затухания кабеля, дБ/км;

-системный запас ВОСП по затуханию на участке регенерации, дБм;

-чувствительность приемника, дБм.

Системный запас учитывает изменение состава оптического кабеля за счет появления дополнительных (ремонтных) вставок, сварных соединений, а также изменения характеристик оптического кабеля, вызванных воздействием окружающей среды и ухудшением качества оптических соединителей в течении срока службы, и устанавливается при проектировании ВОСП исходя из ее назначения и условий эксплуатации оператором связи, в частности, исходя из стати-стики повреждения (обрывов) кабеля в зоне действия оператора. Рекомендуемый диапазон устанавливаемых значений системного запаса от 2 дБ (наиболее благоприятные условия эксплуатации) до 6 дБ (наихудшие условия эксплуатации).

Из формулы (4.15) можно найти максимальную длину участка регенерации:

км,(4.16)

где- максимальное значение перекрываемого затухания аппаратуры, дБм

-системный запас ВОСП по затуханию на участке регенерации, дБм;

-количество разъемных соединений;

-потери в разъемных соединениях (происходят при подключении

приемника и передатчика к ОВ), дБ;

-потери в неразъемных соединениях (при сварке строительных длин

кабеля), а дБ;

-строительная длина кабеля, км;

-рассчитанный коэффициент затухания кабеля, дБ/км.

Полученная величина максимальной длины регенерационного участка удовлетворяет расстояниям между пунктами Хабаровск - Переяславка - 68 км; Переяславка - Вяземск - 62 км; Вяземск - Бикин - 100 км.

Произведем расчет минимальной длины участка регенерации по формуле:

,(4.17)

где-минимальное значение перекрываемого затухания аппаратуры

ВОСП, дБм.

Сопоставляя полученные длины регенерационных участков с длинами участков Хабаровск - Переяславка - 68 км; Переяславка - Вяземск - 62 км; Вяземск - Бикин - 100 км видим, что эти длины удовлетворяют требованиям.

4.5 Расчет диаграммы уровней передачи

Для построения диаграммы уровней необходимо знать уровень приема на входе обслуживаемых регенерационных пунктов. Для этого от известного уровня передачи отнимаем затухание всех регенерационных участков по формуле:

, дБм,(4.17)

где-уровень на входе приемника, дБм;

-уровень мощности источника излучения, дБм;

-рассчитанный коэффициент затухания кабеля, дБ/км;

-длина регенерационного участка, км;

-строительная длина кабеля, км;

-потери в неразъемных соединениях, а дБ;

-количество разъемных соединений;

-потери в разъемных соединениях, дБ.

Подставляя в формулу (4.17) известные значения, рассчитаем уровень приема в пунктах Переяславка, Вяземск, Бикин.

Участок Хабаровск - Переяславка имеет номинальную длину 68 км, рассчитаем уровень приёма в Переяславке:

дБм.

Участок Переяславка - Вяземск имеет номинальную длину 62 км, рассчитаем уровень приёма в Вяземске:

дБм.

Участок Вяземск - Бикин имеет номинальную длину 100 км, рассчитаем уровень приёма в Бикине:

дБм.

Как видно из расчетов, полученные значения уровня оптического излучения на приеме не превышают максимального и не ниже минимального уровня приема системы передачи.

Диаграмма уровней показана на рисунке 4.1.

4.6 Расчет защищенности от взаимных помех в ВОЛС

Для полной оценки свойств любых линий связи необходимо знать явление перехода энергии с одной цепи в другую и помехозащищенность цепей от мешающих влияний. Мешающие влияния проявляются в виде переходного разговора и шума. Переходные разговоры понижают разборчивость речи, шум оказывает мешающее воздействие.

Световоды находящиеся в общем сердечнике ОК, могут оказывать воздействие на соседние волокна в результате взаимного перехода энергии с одного волокна другое. Взаимные помехи между ОВ обусловлены следующими факторами:

просачиванием энергии через оболочку волокна, при этом поле распространяющейся волны спадает в поперечной плоскости по экспоненциальному закону и при тонкой оболочке может просачиваться в окружающее пространство, и возбуждать помехи в расположенных рядом волокнах;

-наличием микроизгибов и макроизгибов в ОВ, приводящих к излучению энергии направляемой волны в окружающее пространство и ее переходу в волокна.

Волоконные световоды, находящиеся в общем сердечнике оптического

кабеля, оказывают мешающее воздействие на соседние световоды в виде помех. Природа взаимных переходных помех в ОК связана с распространением волн, действующих в волоконных световодах. Волна, попадая в оболочку, многократно

в ней отражается от границ «сердечник - оболочка» (n₁ - n₂) и «оболочка - воздух»

(n₂ - n₃) и частично проникает за оболочку. В результате в окружающее световод пространство проходит сумма составляющих полей, которые, протекая в соседние световоды, проявляются там в виде переходных помех. Коэффициенты прохождения и отражения на границах «сердечник - оболочка» обозначим как q₁₂ и р₁₂, а на границах «оболочка - воздух» - q₂₃ и р₂₃. Коэффициенты прохождения q₁₂ и q₂₃ и отражения р₁₂ и р₂₃ можно выразить через показатели преломления сердечника, оболочки и окружающей среды:

,(4.18)

гдеq₁₂-коэффициент прохождения на границе «сердечник - оболочка»;

n₁-коэффициент преломления сердечника;

n₂-коэффициент преломления оболочки;

n₃-коэффициент преломления воздуха.

,(4.19)

гдеq₂₃-коэффициент прохождения на границе «оболочка - воздух».

,(4.20)

гдеp₁₂-коэффициент отражения на границе «сердечник - оболочка».

,(4.21)

гдеp₂₃-коэффициент отражения на границе «оболочка - воздух».

Основным параметром, характеризующим долю просачивания энергии через оболочку световодов является коэффициент ослабления помех N. Он меняется от единицы до нуля. В последнем случае, т.е. при N = 0, обеспечивается наибольшее защитное действие оболочки и наивысшее переходное затухание между световодами в оптическом кабеле.

Значение N уменьшается с ростом частоты и увеличением толщины оболочки. С увеличением соотношения n₁/n₂ защитное действие оболочки возрастает, так как увеличивается отражательная роль границы «сердечник - оболочка», произведем расчет по формуле:

,(4.22)

гдеN -коэффициент ослабления помех;

q₁₂-коэффициент прохождения на границе «сердечник - оболочка»;

q₂₃-коэффициент прохождения на границе «оболочка - воздух»;

p₁₂-коэффициент отражения на границе «сердечник - оболочка»;

p₂₃-коэффициент отражения на границе «оболочка - воздух»;

t-толщина оболочки, t = 2 мкм;

k-коэффициент потерь в оболочке.

,(4.23)

гдеf -частота, f = 10¹⁴ Гц;

₀-относительная диэлектрическая проницаемость, ₀ = 10^-9/36 Ф/м;

-диэлектрическая проницаемость оболочки, = n² = 1,48²;

₀-относительная магнитная проницательность ₀ = 410^-7 Гн/м;

-магнитная проницаемость оболочки, = 1

Уровень взаимных влияний в оптических кабелях зависит от конструкции кабельного сердечника, т.е. взаимного расположения волокон. Наибольшие взаимные влияния будут наблюдаться в конструкциях с повивным сердечником. В конструкциях ленточного типа и в конструкциях с прямоугольным сердечником взаимные влияния между волокнами будут иметь меньшую величину.

Степень влияния между ОВ можно оценить, рассчитав вторичные параметры влияния от двух соседних волокон. Переходное затухание на ближнем конце:

, дБ/км,(4.24)

где-рассчитанный коэффициент затухания кабеля, дБ/км;

m-коэффициент связи между оптическими волокнами, который зависит от расстояния между волокнами (при непосредственном касании волокон по всей длине кабеля m = 1, при удалении волокон на расстояние порядка их радиуса m = 0,6…0,7;

-длина регенерационного участка, км.

Произведем расчет по формуле (4.24).

Участок Хабаровск - Переяславка:

дБ/км.

Участок Переяславка - Вяземск:

дБ/км.

Участок Вяземск - Бикин:

дБ/км.

Защищенность от помех рассчитывается по формуле:

, дБ,(4.25)

гдеN -коэффициент ослабления помех;

m-коэффициент связи между оптическими волокнами;

-длина регенерационного участка, км.

Произведем расчет защищенности от помех, значение коэффициента ослабления от помех возьмём из формулы (4.22).

Участок Хабаровск - Переяславка:

дБ.

Участок Переяславка - Вяземск:

дБ.

Участок Вяземск - Бикин:

дБ.

Переходное затухание на дальнем конце:

, дБ,(4.26)

гдеА_З -защищенность от помех, дБ;

-рассчитанный коэффициент затухания кабеля, дБ/км;

-длина регенерационного участка, км.

Участок Хабаровск - Переяславка:

дБ.

Участок Переяславка - Вяземск:

дБ.

Участок Вяземск - Бикин:

дБ.

4.7 Расчет вероятности повреждения ВОЛС молнией

Опасному воздействию атмосферного электричества подвержены как воздушные, так и кабельные линии. На территории России грозы наблюдаются повсеместно, однако число грозовых дней в различных районах различна. Так, на территории Хабаровского края число грозовых дней в году не превышает 510 дней.

Молния - это электрический разряд через воздух. Путь, образованный разрядом атмосферного электричества, называется каналом молнии.

Канал молнии обладает примерно следующими параметрами:

- напряжение 1...10 миллионов вольт;

- ток молнии 20...30 тысяч ампер;

- длительность удара молнии 0,3...0,5 с;

- число разрядов за один удар 3...10;

- время одного разряда 100...200 мкс;

- основная частота колебания 5...10 кГц;

- длина канала молнии 2...3 км;

- температура в канале молнии 20000С;

- образованная электрическая дуга может достигать до 30 метров.

Высокие напряжения на проводах в линии связи при грозовых разрядах появляются или вследствие индукции от разряда облака на землю, или в результате непосредственного разряда в линию связи (прямой удар). Чаще молнией поражаются наиболее высокие участки земной поверхности. Однако молния может ударить и в ровную поверхность земли, устремляясь в область большей электропроводности почвы. Если грунт, в котором заложен кабель, имеет большое удельное сопротивление, то разряды молнии, реагируя на наличие в почве хорошо проводящих металлических оболочек кабеля, ударяют в поверхность земли над этим кабелем. Чаще всего повреждения подземных кабелей наблюдаются в грунтах с большим удельным сопротивлением (каменистых, гранитных, песчаных, мерзлых).

Повреждения кабеля от ударов молнии весьма разнообразны. Так, от сильного нагрева расплавляется оболочка, обгорает изоляция, расплавляются волокна кабеля. Под действием внешних сил, образующихся от внешних паров влаги грунта и газов, возникающих при сгорании, образуются вмятины на оболочке, трещины и изгибы волокон кабеля.

Повреждения в подземном кабеле могут возникнуть от токов молнии, попавших в кабель через корни близко растущих деревьев. При прохождении кабеля вблизи лесных массивов вероятность повреждений существенно меняется, так как деревья по краю леса будут принимать на себя удары молний с некоторой полосы, прилегающей к лесу. Поэтому число повреждений кабелей с металлической оболочкой или броней, проложенных непосредственно по краю леса, в несколько раз превышает число повреждений кабелей, проложенных на открытой местности (при прочих равных условиях).

Оптимальные расстояния приближенно определяются в зависимости от высоты деревьев: если высота деревьев 10 метров, то расстояние от края леса составляет 15 метров; если высота деревьев 20 метров, то расстояние составляет 25 метров. Согласно «Руководству по защите кабельной линии связи от ударов молнии», средняя продолжительность гроз на проектируемом участке Т = 36 часов.

Вероятное повреждение волоконно-оптического кабеля ОКБ-10-0,22-4 определим из опыта эксплуатации. Вероятное число повреждений при удельном сопротивлении грунта R = 20 Ом, составляет при средней продолжительности гроз Т = 20 часов в год n = 0,03. Тогда:

.(4.27)

Определим допустимое и вероятное число повреждений волоконно-оптического кабеля молнией.

Допустимое расчетное число опасных ударов молний на l₀ = 100 км трассы в год для зоновых оптических кабелей, n₀ = 0,5. Проектируемая трасса имеет длину l_РУ = 230км, определим допустимое число повреждений:

.(4.28)

Рассчитанное по формуле (4.27) вероятное число повреждений n₁ = 0,054 соответствует длине участка l₀ = 100 км, тогда:

.(4.29)

Согласно проведенному расчету, вероятное число повреждений кабеля на данном участке намного меньше допустимого числа повреждений, , следовательно, в применении грозозащитного троса в качестве защиты от молний, нет необходимости.

5. РАСЧЕТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ КАБЕЛЬНОЙ МАГИСТРАЛИ

Надежность работы ВОЛС - это свойство обеспечивать возможность передачи требуемой информации с заданным качеством в течение определенного промежутка времени.

Волоконно-оптическая линия связи может рассматриваться как система, состоящая из двух совместно действующих сооружений - линейного и станционного. Каждое из этих сооружений при определении надежности может рассматриваться как самостоятельная система.

В теории надежности применительно к ВОЛС используются следующие понятия:

отказ - повреждение на ВОЛС с перерывом связи по одному, множеству или всем каналам связи;

неисправность - повреждение, не вызывающее закрытие связи;

-характеризуемое состоянием линии, при котором значения одного или нескольких параметров не удовлетворяют заданным нормам;

-среднее время между отказами (наработка на отказ) - среднее время между отказами, выраженное в часах;

-среднее время восстановление связи - среднее время перерыва связи, выраженное в часах;

-интенсивность отказов - среднее число отказов в единицу времени (час);

-вероятность безотказной работы - вероятность того, что в заданный интервал времени на линии не возникает отказ;

-коэффициент готовности - вероятность нахождении линии в безотказном состоянии произвольно выбранный момент времени;

-коэффициент простоя - вероятность нахождения линии в состоянии отказа в произвольно выбранный момент времени.

Под надежностью элемента (системы) следует понимать его способность выполнять заданные функции с заданным качеством в течение некоторого промежутка времени в определенных условиях.

Изменение состояния элемента (системы), которое влечет за собой потерю указанного свойства, называется отказом. Система передачи относится к восстанавливаемым системам, в которых отказы можно устранять. По теории вероятности отказы рассматриваются как случайные события. Интервал времени от момента включения до первого отказа является случайной величиной, называемой «время безотказной работы». Интегральная функция распределения этой случайной величины, представляющая собой (по определению) вероятность того, что время безотказной работы будет менее t, обозначается q(t) и имеет смысл вероятности отказа на интервале 0...t. Вероятность противоположного события - безотказной работы на этом интервале, определяется по формуле:

.(5.1)

Удобной мерой надежности элементов и систем является интенсивность отказов (t), представляющая собой условную плотность вероятности отказов в момент t, при условии, что до этого момента отказов не было. Между функциями (t) и p (t) существует взаимосвязь:

.(5.2)

В период нормальной эксплуатации (после приработки, но еще до того, как наступил физический износ) интенсивность отказов примерно постоянна (t) .

В этом случае:

.(5.3)

Таким образом, постоянной интенсивности отказов, характерной для периода нормальной эксплуатации, соответствует экспоненциальное уменьшение вероятности безотказной работы с течением времени.

Среднее время безотказной работы (наработки на отказ) находят как математическое ожидание случайной величины «время безотказной работы»:

.(5.4)

Следовательно, среднее время безотказной работы в период нормальной эксплуатации обратно пропорционально интенсивности отказов определяется:

,(5.5)

где- интенсивность отказов системы.

Оценим надежность некоторой сложной системы, состоящей из множества разнотипных элементов. Пусть р₁ (t), р₂(t), ..., р_r(t) - вероятности безотказной работы каждого элемента на интервале времени 0 ... t, r - количество элементов в системе. Если отказы отдельных элементов происходят независимо, а отказ хотя бы одного элемента ведет к отказу всей системы (такой вид соединения элементов в теории вероятности называется последовательным), то вероятность безотказной работы системы в целом равна произведению вероятностей безотказной работы отдельных ее элементов

,(5.6)

где- интенсивность отказов системы;

t- время безотказной работы.

Среднее время безотказной работы системы определяется формулой:

, ч.(5.7)

К числу основных характеристик надежности восстанавливаемых систем относится коэффициент готовности. Он соответствует вероятности того, что элемент (система) будет работоспособен в любой момент времени:

,(5.8)

где- среднее время восстановления элемента (системы).

Коэффициент готовности оборудования линейного тракта для внутризоновой линии максимальной протяженности L_макс=1400 км должен быть больше 0,99.

Интенсивность отказов линейного тракта определяют как сумму интенсивностей отказов обслуживаемых и необслуживаемых регенерационных пунктов и кабеля:

(5.9)

где- интенсивность отказов ОРП, ;

- количество ОРП;

- интенсивность отказов НРП, ;

- количество НРП;

- интенсивность отказов одного километра кабеля, ;

- протяженность магистрали, км.

В нашем случае расстояние между ОРП таково, что устанавливать НРП не требуется, поэтому расчет интенсивности отказов можно произвести по упрощенной формуле:

(5.10)

Среднее время восстановления связи находим из выражения:

(5.11)

где- время восстановления ОРП, ;

- время восстановления НРП, ;

- время восстановления кабеля, .

В связи с отсутствием НРП, расчет среднего времени восстановления также производится по упрощенной формуле:

(5.12)

Если при расчете надежности проектируемой ВОЛС показатели надежности не удовлетворяют требованиям первичной сети общего пользования, то применяют различные варианты повышения надежности ВОЛС, либо заменяют наименее надежные компоненты на такой же тип оборудования другого производителя (с лучшими показателями надежности), либо вносят изменения в структурную схему организации связи, вводя резервирование (по элементам или линейному тракту на участке переключения), организуя вынос кабельной линии за пределы населенных пунктов, обход обвальных и селевых мест, заменяя оптический кабель на более надежный. Потом для выбранных вариантов повторяется расчет показателей надежности ВОЛС и снова сравниваются полученные величины с требуемыми значениями.

5.1 Расчет надежности на участке Хабаровск - Переяславка

Произведем расчет надежности кабельной магистрали на участке

Хабаровск - Переяславка. Длина магистрали равна 68 км.

В соответствии с формулой (5.11) произведем расчет величины интенсивности отказов:

.(5.13)

Расчет среднего времени восстановления произведем по формуле (5.12):

.(5.14)

Среднее время безотказной работы системы определяется формулой (5.7):

.(5.15)

По формуле (5.8), коэффициент готовности равен: