Проектирование магистралей с применением оптических систем передачи

Размещено на http://allbest.ru

Содержание

Введение

1. Исходные данные

2. Разработка архитектуры сети

2.1 Выбор трассы

2.2 Выбор оптического кабеля

2.3 Расчет параметров регенерационного участка

3. Оборудование магистральной сети связи

3.1 Конструкция и архитектура системы DWDM OptiX BWS 1600G

3.2 Структура системы

3.3 Оптический оконечный мультиплексор (OTM)

3.4 Оптический линейный усилитель (OLA)

3.5 Оптический мультиплексор с функцией вставки/выделения (OADM)

3.6 Регенератор

3.7 Оптический корректор



Введение

В курсовой работе рассматриваются вопросы организации волоконно-оптической системы передачи (ВОСП) с использованием аппаратуры спектрального уплотнения DWDM, а также организация мультисервисной системы передачи данных на базе современных оптических мультиплексоров.

В курсовой работе необходимо:

1. Произвести обоснование и выбор трассы проектируемой линии связи;

2. Построить граф (схему) основных и резервных маршрутов;

3. Распределить необходимое число оптических каналов DWDM;

4. Выбрать оптический кабель (ОК) и способ его прокладки;

5. Рассчитать длину регенерационного участка;

6. Выбрать (изучить) систему передачи и определить требуемое число ОВ в кабеле.

оптический кабель мультиплексор оptiх



1. Исходные данные

В соответствии с заданием необходимо организовать магистральную сеть на участке Красноярск - Чита, а так же спроектировать местную сеть связи на этом же участке. Магистральная сеть связи организуется на основе системы DWDM OptiX BWS 1600G (КНР).

Система DWDM предусматривает передачу следующих видов трафика:



2. Разработка архитектуры сети

2.1 Выбор трассы

Проектируемая сеть DWDM будет проходить на восток от г. Красноярск до г. Чита вдоль железной дороги.

Трасса прокладки ОК выбирается исходя из условий:

- минимальной длины между оконечными пунктами;

- выполнения наименьшего объема работ при строительстве;

- возможности максимального применения наиболее эффективных средств индустриализации и механизации строительных работ;

- удобства обслуживания.

При разработке проекта линии связи Красноярск - Чита целесообразно для сравнения рассмотреть следующие варианты прокладки кабеля:

- прокладка в грунт;

- подвес по опорам контактной сети.

Вместе с тем, опыт развитых стран, таких как США, Япония и др., показывает, что второй вариант является наиболее предпочтительным с экономической, технической и экологической точек зрения.

Недостатком метода прокладки в грунт является быстрый износ рабочих деталей и механизмов оборудования и, соответственно, необходимость их частичной замены. При втором методе протяжка кабеля осуществляется по опорам, что не требует строительства новой линии и разработки специального оборудования, т.е. монтаж осуществляется обычным оборудованием. При прокладке кабеля в грунт большую сложность представляют пересечения трассы с реками.

При протяжке кабеля по опорам эти проблемы отпадают, что приводит к значительному снижению трудоемкости работ. При протяжке кабеля по опорам экологические последствия минимальны, так как линия электропередач уже действует и необходимо лишь произвести монтаж кабеля. При прокладке кабеля в грунт возможен значительный экологический ущерб, в связи с тем, что возникает необходимость дополнительной вырубки лесов, загрязняются водоемы, наносится урон сельскохозяйственным угодьям.

Неудачным оказался опыт эксплуатации кабеля, проложенного в пластмассовой трубе. В наших условиях трубы оказываются негерметичными, в них проникает вода, они промерзают, а ремонт или замена поврежденного участка порой весьма затруднены. В результате время восстановления поврежденного участка оказывается существенно больше, в сравнении с восстановлением подвесной линии и значительно дороже. Несколько лучше показали себя бронированные кабели для прокладки в грунт.

Общая протяженность трассы Красноярск - Чита составляет 2099 км с учетом норм расхода волоконно-оптического кабеля на один километр трассы: по опорам контактной сети 2099 км; сходя из вышеперечисленных условий, трасса проектируемой ВОЛС проходит вдоль железной дороги по опорам контактной сети (см. рис.1).

Рис. 1 - Схема трассы прокладки ВОК

Согласно исходным данным необходимо обеспечить суммарную передачу 20 каналов DWDM, включая транзит 14 и выделение 6 каналов на соответствующих пунктах.



2.2 Выбор оптического кабеля

Выбор типа оптического кабеля определяется пропускной способностью линейного тракта ВОСП, также учитываются условия и место его прокладки, наличие на трассе источников электромагнитных полей, опасность повреждения.

При выборе конструкции кабеля для определённого назначения учитывается ряд аспектов, таких как:

соответствие кабеля ГОСТ, ТУ, которые разрабатываются в соответствии с требованиями ITU-T (Международный союз электросвязи - сектор стандартизации телекоммуникации), IEC (Международная электротехническая комиссия), и CECC (комитет по электронным компонентам в составе CENELEC);

- соответствие ОК необходимым эксплуатационным характеристикам. При определении пропускной способности волокна следует учитывать потери волокна и требования по их изменению. Эти характеристики должны удовлетворять самым жестким условиям, которые наблюдаются при эксплуатации;

- кабель должен быть удобным в работе и при монтаже. Он должен иметь гибкость, цветовое кодирование, малый вес, сопротивление изгибам, раздавливанию и растяжению, создавать условия для быстрого монтажа и надёжной эксплуатации;

- кабель должен быть удобным в сварке и заделке в концевые устройства. Удобная идентификация кабеля и волокна облегчает сварку и делает её более точной. Внешние защитные оболочки и покрытия должны легко сниматься. Важным моментом является скол волокон и подгонка волокна и кабеля, а, также предохранение места сварки;

- кабель должен иметь удобную маркировку, которая способствует быстрому ремонту и сокращает время простоя кабельных магистралей;

- кабель должен соответствовать предъявляемым требованиям с учётом специфических климатических условий на месте эксплуатации.

В работе предлагается использовать кабель типа ДПТ для подвески на опорах контактной сети железных дорог. Конструктивные особенности кабеля показаны на рис.2, а его основные характеристики приведены в таблице 1 и в таблице 2.

Рис. 2 - Оптический кабель марки ДПТа

Маркировка наносится на каждый метр кабеля.

Рис. 3 - Пример маркировки кабеля

Таблица 1 - Характеристики кабеля

Количество оптических волокон в кабеле	48
Количество оптических волокон в модуле	6
Количество модулей в кабеле	8
Диаметр кабеля, мм	12,6
Масса кабеля, кг/км	121,2
Минимальный радиус изгиба, мм	230
Стойкость к продольному растяжению, кН	4
Стойкость к раздавливающим усилиям, кН/см	0,3
Стойкость к удару, Дж	30
Температурный диапазон эксплуатации, оС Температурный диапазон при прокладке, оС	-60…+70 -10…+50



Таблица 2 - Характеристики оптического волокна

Тип волокон	Н-Одномодовое ОВ со смещенной нулевой дисперсией (ITU-T G.655)
Рабочая длина волны волокна, нм	1310-1625
Коэффициент затухания, дБ/км, не более:	0,19
Коэффициент хроматической дисперсии, пс/(нм.км), в интервале длин волн (1530-1565) нм, по абсолютной величине	2,0.6,0
Поляризационная модовая дисперсия (ПМД), пс/км, не более	0,1
Длина волны отсечки, нм, не более	1480
Диаметр модового поля, мкм, на длине волны 1550 нм	9,60,4
Неконцентричность сердцевины относительно оболочки, мкм, не более	0,5
Диаметр оболочки, мкм	1251,0
Некруглость оболочки, %, не более	0,7
Диаметр защитного покрытия, мкм	24510

2.3 Расчет параметров регенерационного участка

Линейный тракт ЦСП содержит передающее и приемное оборудование линейного тракта, регенерационные участки линии и регенерационные пункты, предназначенные для восстановления первоначальной формы, амплитуды и временных положений импульсов.

Большинство промежуточных регенерационных пунктов являются необслуживаемыми (НРП) и только часть этих пунктов является обслуживаемыми (ОРП). Необслуживаемые пункты питаются по тем же цепям, по которым передаются линейные сигналы.

НРП размещаются на трассе через участки с примерно равным затуханием с таким расчетом, чтобы в любой точке тракта передачи разность между уровнем сигнала и помех не превышала допустимого значения.

Расчет регенерационных участков состоит в определении затухания сигнала на определенном участке магистрали по формуле:



где, -потери в оптическом кабеле (затухание кабеля)

- длинна участка, км

-потери сварного соединения (0,01- 0,02), Дб

-количество сварных соединений

-потери на коннекторах(0,1- 0,2), Дб

-количество коннекторов

- требуется установка усилителя

Рассчитаем два примера: 1 - когда требуется установка НРП, 2 - когда установка НРК не требуется.

Участок Ангарск-Иркутск (расстояние 40 км).

Участок Красноярск-Тайшет (расстояние 417 км.)

- требуется установка усилителя.

В результате расчета аналогичным образом, мы выявили потребность в четырех НРП, на протяжении магистральной сети Красноярск - Чита.



3. Оборудование магистральной сети связи

3.1 Конструкция и архитектура системы DWDM OptiX BWS 1600G

На проектируемой сети DWDM согласно заданию используется оборудование компании Huawei Technologies (КНР). Разработанная Huawei магистральная оптическая система передачи DWDM OptiX BWS 1600G, является магистральным оптическим оборудованием передачи нового поколения большой ёмкости.

Модульная конструкция, поддержка разнообразных конфигураций и гибкие возможности резервирования позволяют системе OptiX BWS 1600G играть ведущую роль в оптической сети передачи. Ёмкость доступа оптических волокон может быть плавно увеличена от 10 Гбит/с до 1600 Гбит/с. При расширении системы, отсутствует необходимость отключать оборудование или прерывать предоставление услуг. Необходимо всего лишь установить новые аппаратные средства или новый узел. В типичной конфигурации с резервированием даже добавление узла OADM не окажет влияние на работу системы.

Система может быть развернута с использованием топологии "точка-точка", линейной и кольцевой сети. Являясь магистральным уровнем сети, она используется для соединения сетей крупных городов и пропуска большого объёма трафика оптической коммутационной аппаратуры, оборудования DWDM городской сети (MAN, metropolitan area network), оборудования SDH или маршрутизаторов.

Система OptiX BWS 1600G передает однонаправленные сервисные сигналы по одному оптическому кабелю, то есть двунаправленная передача осуществляется двум оптическим волокнам, одно оптоволокно используется для передачи, а другое для приема. Использование мультиплексоров и демультиплексоров AWG-типа, эрбиевых волоконно-оптических усилителей, рамановских усилителей, источников сигналов со стабильными длинами волн, функции балансировки мощности каналов, устранение "чирпирования" (pre-chirp), компенсации дисперсии, универсальной и централизованной системы управления сетью делает OptiX BWS 1600G высоконадежной с точки зрения рабочих характеристик и гибкой с точки зрения организации сети.

Система управления сетью передачи, разработанная компанией Huawei (сокращенно NMS - network management system), не только поддерживает управление оборудованием DWDM, но также поддерживает и управление всей серией оборудования OptiX, включая оборудование SDH и METRO. Согласно Рекомендациям ITU-T NMS поддерживает большой набор функций технического обслуживания сети. Она позволяет осуществлять обработку отказов, управление рабочими характеристиками, конфигурацией, резервированием, техническим обслуживанием и тестированием всей сети OptiX. NMS также поддерживает функцию сквозного управления согласно требованиям пользователей. Она повышает качество сетевых услуг, снижает эксплуатационные расходы и гарантирует рациональное использование сетевых ресурсов.

Используемая в системе OptiX BWS 1600G NMS обладает мощными и современными функциональными возможностями и предоставляет дружественные пользователю интерфейсы человек-машина. Используемый в её конструкции объектно-ориентированный подход позволяет пользователю активизировать или деактивизировать любую услугу в соответствии с возможностями физической сети. В сети OptiX BWS 1600G NMS поддерживает сквозное управление каналами (длинами волн), статистический анализ ресурсов длин волн, управление аварийной сигнализацией, управление рабочими характеристиками, управление системой, управление и техническое обслуживание оборудования и т.д.



Таблица 3 - Технические характеристики системы OptiX BWS 1600G

Модель	OptiX BWS 1600G
Диапазон длин волн	C,L
Количество длин волн в базовой системе	40
Тип используемого волокна	Одномодовое в соответствии с G.652, G.655, G. 653
Расширение количества длин волн	До 192
Наличие служебной связи	Да, аналоговые телефоны
Система управления	T2000
Интерфейсы	Fibre Channel 1 Gbps,Gigabit Ethernet, SDH (STM-16/64), SONET: OC-48c/192c, 10 Gigabit Ethernet
Разнос несущих, ГГц	50/100
Транспондеры	На фиксированную длину волны перестраиваемые
Построение OADM	С выделением 2хN оптических каналов или 40 каналов
Режим работы	3R восст.вх.сигнала 3R+инкапсуляция клиентского графика G.709 FEC функция коррекция ошибок,AFEC(усовершенствованный
Базовый мультиплексор/демультиплексор	На 40 длин волн
Сервисные интерфейсы	RS-232/422, сухие контакты 16 входов, вывод сигнализации 8 портов
Предельный OSNR на участке усиления	17дБ
Компенсаторы дисперсии	L,C на 10,40,60,80 км
Оптические усилители	Автоматическая регулировка
Канал управления	OSC управляющий оптический канал
Резервирование	Без резервирования; 1+1 два транспондера и два клиентских интерфейса (маршрут); Y-кабель 2 транспондера один интерфейс

Оптическая система передачи DWDM OptiX BWS 1600G включает статив, подстатив, блок питания, блок вентиляторов (включая воздушный фильтр), полку модуля компенсации дисперсии (Dispersion Compensation Module, DCM) и полку концентраторов. В стативе крепятся подстативы с различными комбинациями плат Основной полкой является статив с закрепленной задней панелью и съемными боковыми панелями с обеих сторон. Блок питания установлен сверху. Полка модуля компенсации дисперсии DCM и полка концентраторов установлены в основании статива. В одном стативе может быть смонтировано до трех подстативов в верхней, средней и нижней частях статива. Для каждого подстатива имеется блок вентиляторов и воздушный фильтр. Подстатив OptiX BWS 1600G разделен на четыре части: верхняя часть - это область выхода интерфейсных кабелей или, проще говоря, область интерфейсов. Здесь подключаются все внешние электрические интерфейсы, принадлежащие подстативу. Средняя часть предназначена для установки плат и называется областью установки плат. В нижней части помещаются область для прокладки оптоволоконных кабелей и блок вентиляторов.

Всего в стативе находится 13 разъемов (IU1-IU13), которые пронумерованы слева направо как IU1, IU2, IU3 … IU13. Разъем IU7 имеет ширину 24 мм. и зарезервирован для SCC/SCE (Платы: управления системой и связи). Остальные разъемы IU (блоков интерфейсов) имеют ширину 38 мм. Все оптические интерфейсы выводятся на передние панели плат.

На рис. 3 представлен фасад DWDM-оборудования с расположением используемых плат.

По мере роста трафика пропускная способность может быть увеличена, причем наращивание каналов будет проходить без прерывания работы сети. С введением в эксплуатацию DWDM-сети оператор сможет предлагать каналы большой емкости, что позволит воспользоваться услугами новым клиентам, которым требуется оперативно передавать очень большие объемы информации.



Рис. 3 - Фасад DWDM оборудования OptiX BWS 1600G

Преимущества DWDM очевидны. Эта технология позволяет получить наиболее масштабный и рентабельный способ расширения полосы пропускания волоконно-оптических каналов в сотни раз. Пропускную способность оптических линий на основе систем DWDM можно наращивать, постепенно добавляя по мере развития сети в уже существующее оборудование новые оптические каналы.

3.2 Структура системы

Механическая структура системы DWDM OptiX BWS 1600G включает в себя шкаф, подстатив, платы, блок вентиляторов, блок питания и т.д. В шкаф могут устанавливаться подстативы с различными конфигурациями плат для формирования различных типов оборудования. Компактное и изящное конструктивное исполнение позволяет более эффективно использовать пространство для установки оборудования. Конфигурация OTM с пропускной способностью 400 Гбит/с может быть реализована с использованием двух шкафов, а одиночный шкаф обеспечивает реализацию конфигурации OLA.

Один шкаф позволяет установить три подстатива, блок питания, полку DCM и полку HUB. В одной полке HUB можно установить максимум два концентратора (HUB), и в полке DCM также устанавливаются максимум две DCM.

В системе имеется пять типов оборудования:

- Оптический оконечный мультиплексор (OTM, Optical terminal multiplexer);

- Оптический линейный усилитель (OLA, Optical line amplifier);

- Оптический мультиплексор вставки/выделения (OADM, Optical Add/Drop Multiplexer);

- Регенератор (REG);

- Оптический корректор (OEQ, Optical equalizer).

В каждом типе оборудования могут быть сконфигурированы до 40 каналов.

3.3 Оптический оконечный мультиплексор (OTM)

OTM является оконечной станцией сети DWDM, то есть в этой станции для услуг внешнего оборудования реализуется доступ к сети DWDM.

На стороне передачи он осуществляет преобразование и мультиплексирование оптических сигналов, поступающих из различного оборудования на стороне клиента, например из оборудования SDH, в одну волоконно-оптическую линию для их усиления и последующей передачи. На стороне приема происходит демультиплексирование всех каналов и их транспортировка к соответствующему клиентскому оборудованию.

OTM системы состоит из следующих основных компонентов:

- Блок оптического ретранслятора (OTU, Optical transponder unit);

- Оптический блок мультиплексирования (M40);

- 40-канальный оптический блок мультиплексирования с VOA (V40);

- Блок оптического усилителя (OAU/OBU/OPU);

- Оптический блок демультиплексирования (D40);

- Блок интерфейса оптического волокна (FIU, Fiber interface unit);

- Блок однонаправленного оптического контрольного канала (SC1)/блок однонаправленного оптического контрольного канала и передачи синхронизации (TC1);

- Модуль компенсации дисперсии (DCM, Dispersion compensation module);

- Блок многоканального анализатора спектра (MCA, Multi-channel spectrum analyzer unit);

- Блок связи и управления системой (SCC, System control & Communication unit).

Рис. 4 - Блок-схема принимающей стороны OTM

3.4 Оптический линейный усилитель (OLA)

Блок OLA обеспечивает усиление двунаправленных оптических сигналов и компенсацию дисперсии. Блок OLA увеличивает дальность передачи без регенерации, то есть обеспечивает передачу без использования 3R-функции. Как показано на рисунке 5, модуль OLA состоит из блока оптического усилителя, усилителя Рамана (комбинированное использование усилителей Рамана и EDFA обеспечивает усиление оптических сигналов с низким уровнем собственных шумов усилителей, что позволяет увеличить протяженность участка передачи), блоков DCM, FIU, SC2, SCC и т.д.



Рис. 5 - Блок-схема OLA

Как и OTM, Рамановские усилители используются на приемной стороне OLA, как показано на рисунке 5. Они выполняют усиление (с низким уровнем собственных шумов) оптических линейных сигналов, а затем посылают эти сигналы в блок FIU.

FIU выделяет оптический контрольный сигнал из основного тракта, для того чтобы система могла извлечь из него контрольную информацию. В то же время, сигналы C-диапазона, содержащиеся в основном тракте, передаются в блок OAU (блок эрбиевого оптического усилителя), где они усиливаются.

Блок DCM обеспечивает компенсацию дисперсии сигналов основного тракта.

3.5 Оптический мультиплексор с функцией вставки/выделения (OADM)

В системе предусмотрено два типа мультиплексоров OADM: последовательный OADM и параллельный OADM.

Последовательный OADM используется для локальных операций вставки/выделения до 16 каналов в/из основного тракта путем каскадирования плат MR2. Это основной тип OADM. Он гарантирует баланс оптической мощности для локально вставляемых и транзитных каналов, выравнивая, таким образом, суммарную оптическую мощность.

Последовательный OADM состоит из блока оптического усилителя (OAU/OBU), модуля оптического мультиплексора с функцией вставки/выделения (MR2), блоков DCM, OTU, FIU, SC2/TC2, SCC и т.д. Блок-схема последовательного OADM показана на рисунке 6.

Рис. 6 - Блок-схема последовательного OADM

Главным функциональным блоком OADM является MR2. Каждая плата MR2 поддерживает вставку/выделение двух каналов услуг. Возможно каскадное включение восьми плат MR2, в результате чего обеспечивается вставка/выделение 16 каналов, как показано на рисунке 6.

На стороне приема блок FIU разделяет основной тракт на сигналы C-диапазона и оптический контрольный сигнал. Затем сигнал контрольного канала передается в SC2/TC2 для дальнейшей обработки. Сигналы C-диапазона передаются на платы MR2, на которой осуществляется вставка или выделение каналов услуг. Доступ к этим локальным вставляемым/выделяемым каналам осуществляется через OTU.

На стороне передачи регулируемый оптический аттенюатор выполняет регулировку поступающих сигналов в соответствии с установленными в системе требованиями по мощности и передает их на плату MR2. Затем все сигналы усиливаются в OBU. На последнем этапе блок FIU снова объединяет сигналы каналов C-диапазона и контрольного канала для их передачи по волоконно-оптической линии.

3.6 Регенератор

Достаточность OLA для передачи сигналов на большие расстояния уже обсуждалась. Но из-за стохастического характера распространения света в некоторых случаях при передаче на большие расстояния необходимо регенерировать исходные сигналы для устранения дисперсии, потери мощности, оптического шума, нелинейности или PMD-эффектов. Регенератор (REG) выполняет 3R-обработку, то есть восстановление первоначальной формы сигналов (re-shaping), восстановление тактовой синхронизации (re-timing) и регенерацию сигналов. REG увеличивает дальность передачи путем регенерации оптических сигналов.

Как показано на рисунке 7, станция REG состоит из блоков OAU, D40, OTU, M40, FIU, SC2 и SCC.

Рис. 7 - Блок-схема REG

Следует отметить, что функционально два включенных встречно OTM образуют REG. Единственное отличие заключается в том, что REG не поддерживает вставку/выделение оптических сигналов подобно OTM. Все блоки обработки сигналов и функциональные блоки REG аналогичны блокам OTM, за исключением типа OTU. В REG используется OTU с поддержкой функции регенерации, который реализует 3R-функцию.



3.7 Оптический корректор

В системах передачи на сверхдальние расстояния (ELH - Extra Long Haul) протяженность участка передачи без применения регенератора значительно больше по сравнению с системами передачи на большие расстояния, в связи, с чем могут возникать следующие проблемы:

- Накопление неравномерности распределения коэффициентов усиления оптического усилителя и распределения коэффициентов затухания в волоконно-оптической линии вызывают нарушение равновесия (баланса) между величиной оптической мощности и отношением “оптический сигнал/шум” на стороне приема;

- Поскольку крутизна дисперсии DCM не полностью соответствует характеристикам волоконно-оптических линий, невозможно обеспечить полную компенсацию по всем длинам волн и дисперсия на приемной стороне не соответствует требованиям системы.

Для реализации более качественной коррекции оптической мощности и компенсации дисперсии в системе ELH должен использоваться модуль OEQ.

Оборудование OEQ состоит из корректора оптической мощности и корректора дисперсии.

Корректор оптической мощности. Существует два решения этой проблемы: использование блока динамической коррекции коэффициента усиления (DGE, dynamic gain equalizer unit) для выравнивания оптической мощности каналов в основном тракте и использование блока VMUX.

Коррекция оптической мощности означает, что энергия оптических сигналов всех каналов устанавливается приблизительно равной друг другу для улучшения эффективности передачи.

В системе передачи на сверхбольшие расстояния связывается большое количество оптических усилителей. Поскольку АЧХ оптических усилителей не является прямоугольной, при усилении спектр сигнала изменяется. После прохождения оптических сигналов через несколько усилителей частотная равномерность спектра значительно снижается. Таким образом, ухудшается соотношение сигнал-шум, возрастают битовые ошибки, и эффективность передачи всей системы ограничивается. Для решения вышеупомянутых проблем используется плата DGE, регулирующая плоскостность спектра.

Компенсатор дисперсии применяется для систем передачи на большие расстояния, использующих технологию SuperWDM. Если расстояние передачи без регенерации превышает 1000 км, то должна учитываться необходимость коррекции дисперсии. Система передает мультиплексированные сигналы в модуль компенсации дисперсии для выполнения компенсации скорректированной дисперсии посредством платы DSE.

Корректор дисперсии может быть установлен вместе с корректором оптической мощности на одной и той же станции. Рекомендуется устанавливать его на стороне приема последней станции в секции оптического мультиплексирования.

Размещено на Allbest.ru