Проектирование волоконно-оптических систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Колледж информатики и связи

Дипломная работа

на тему: Проектирование волоконно-оптических систем



Введение

Сегодня, как никогда ранее, регионы России нуждаются в связи, как в количественном, так и в качественном плане. Руководители регионов в первую очередь озабочены социальным аспектом этой проблемы, ведь телефон-это предмет первой необходимости. Связь влияет и на экономическое развитие региона, его инвестиционную привлекательность. Вместе с тем операторы электросвязи, тратящие массу сил и средств на поддержку дряхлеющей телефонной сети, все же изыскивают средства на развитие своих сетей, на цифровизацию, внедрение оптоволоконных и беспроводных технологий. В данный момент времени сложилась ситуация, когда практически все крупнейшие российские ведомства проводят масштабную модернизацию своих телекоммуникационных сетей.

За последний период развития в области связи, наибольшее распространение получили оптические кабели (ОК) и волоконно-оптические системы передачи (ВОСП) которые по своим характеристикам намного превосходят все традиционные кабели системы связи. Связь по волоконно-оптическим кабелям, является одним из главных направлений научно-технического прогресса. Оптические системы и кабели используются не только для организации телефонной городской и междугородней связи, но и для кабельного телевидения, видеотелефонии, радиовещания, вычислительной техники, технологической связи и т.д.

Применение волоконно-оптической системы передачи, позволяет резко увеличить объем передаваемой информации по сравнению с такими широко распространенными средствами, как спутниковая связь и радиорелейные линии, это объясняется тем, что волоконно-оптические системы передачи имеют более широкую полосу пропускания.

Для любой системы связи важное значение имеют три фактора:

- информационная емкость системы, выраженная в числе каналов связи, или скорость передачи информации, выраженная бит в секунду;

- затухание, определяющее максимальную длину участка регенерации;

- стойкость к воздействию окружающей среды.

Важнейшим фактором в развитии оптических систем и кабелей связи явилось появление оптического квантового генератора - лазера. Слово лазер составлено из первых букв фразы LightAmplificationbyEmissionofRadiation - усиление света с помощью индуцированного излучения. Лазерные системы работают в оптическом диапазоне волн. Если при передачи по кабелям используются частоты - мегагерцы, а по волноводам - гигагерцы, то для лазерных систем используется видимый и инфракрасный спектр оптического диапазона волн (сотни гигагерцы). волоконный оптический связь



1. Теоретическая часть

1.1 Основные понятия и области применения ВОЛС

Направляющей системой для волоконно-оптических систем связи являются диэлектрические волноводы, или волокна, как их называют из-за малых поперечных размеров и метода получения. В то время когда был получен первый световод, затухание составляло порядка 1000 дб/км это объяснялось потерями из-за присутсивующих в волокне различных примесей. В 1970 г. были созданы волоконные световоды с затуханием 20 дб/км. Сердечник этого световода был изготовлен из кварца с добавкой титана для увеличения коэффициента преломления, а оболочкой служил чистый кварц. В 1974г. затухание было снижено до 4 дб/км, а в 1979г получены световоды с затуханием 0,2дб/км на длине волны 1,55мкм.

Успехи в технологии получения световодов с малыми потерями стимулировали работы по созданию волоконно-оптических линий связи.

Волоконно-оптические линии связи по сравнению с обычными кабельными линиями имеют следующие преимущества:

- высокая помехоустойчивость, нечувствительность к внешним электромагнитным полям и практически отсутствие перекрестных помех между отдельными волокнами, уложенными вместе в кабель;

- значительно большая широкополосность;

- малая масса и габаритные размеры, что уменьшает стоимость и время прокладки оптического кабеля;

-полная электрическая изоляция между входом и выходом системы связи, поэтому не требуется общее заземление передатчика и приемника, можно производить ремонт оптического кабеля, не выключая оборудования;

- отсутствие коротких замыканий, вследствие чего волоконные световоды могут быть использованы для пересечения опасных зон без боязни коротких замыканий, являющихся причиной пожара в зонах с горючими и легковоспламеняющимися средами;

- потенциально низкая стоимость, хотя волоконные световоды изготавливаются из ультра чистого стекла, имеющего примеси меньше чем несколько частей на миллион, при массовом производстве их стоимость не велика. Кроме того, в производстве световодов не используются такие дорогостоящие металлы, как медь и свинец, запасы которых на Земле ограничены. Стоимость же электрических линий коаксиальных кабелей и волноводов постоянно увеличивается как с дефицитом меди, так и с удорожанием энергетических затрат на производство меди и алюминия.

В мире вырос огромный прогресс в развитии волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). В настоящее время волоконно-оптические кабели и системы передачи для них, выпускаются многими странами мира. Особое внимание у нас и за рубежом уделяется созданию и внедрению одномодовых систем передачи по оптическим кабелям, которые рассматриваются как наиболее перспективное направление развития техники связи. Достоинством одномодовых систем является возможность передачи большого потока информации на требуемые расстояния при больших длинах регенерационных участков. Уже сейчас имеются волоконно-оптические линии на большое число каналов с длиной регенерационного участка 100...150 км. Последнее время в США ежегодно изготовляется по 1,6 млн. км оптических волокон, причем 80% из них - в одномодовом варианте.

Получили широкое применение современные отечественные волоконно-оптические кабели второго поколения, выпуск которых освоен отечественной кабельной промышленностью, к ним относятся кабели типа:

ОКК - для городских телефонных сетей;

ОКЗ - для внутризоновых;

ОКЛ - для магистральных сетей связи.

Волоконно-оптические системы передачи применяются на всех участках первичной сети ВСС для магистральной, зоновой и местной связи. Требования, которые предъявляются к таким системам передачи, отличаются числом каналов, параметрами и технико-экономическими показателями.

На магистральной и зоновых сетях применяются цифровые волоконно-оптические системы передачи, на местных сетях для организации соединительных линий между АТС также применяются цифровые волоконно-оптические системы передачи, а на абонентском участке сети могут использоваться как аналоговые (например, для организации канала телевидения), так и цифровые системы передачи.

Максимальная протяженность линейных трактов магистральных систем передачи составляет 12500 км при средней длине порядка 500 км. Максимальная протяженность линейных трактов систем передачи внутризоновой первичной сети может быть не более 600 км при средней длине 200 км. Предельная протяженность городских соединительных линий для различных систем передачи составляет 80...100 км.

У человека имеется пять органов чувств, но один из них особенно важен -- это зрение. Глазами человек воспринимает большую часть информации об окружающем его мире в 100 раз больше, чем посредством слуха, не говоря уже об осязании, обонянии и вкусе.

Далее человек заметил ”посторонний источник света” -- солнце. Он использовал огонь, а затем различные виды искусственных световых источников для подачи сигналов. Теперь в руках человека был как световой источник, так и процесс модуляции света. Он фактически построил то, что сегодня мы называем оптической линией связи или оптической системой связи, включающей передатчик (источник), модулятор, оптическую кабельную линию и приемник (глаз). Определив в качестве модуляции преобразование механического сигнала в оптический, например, открытие и закрытие источника света, мы можем наблюдать в приемнике обратный процесс -- демодуляцию: преобразование оптического сигнала в сигнал другого рода для дальнейшей обработки в приемнике.

Такая обработка может представлять собой, например, превращение светового образа в глазу в последовательность электрических импульсов нервной системы человека. Головной мозг включается в процесс обработки как последнее звено цепи.

Другим, очень важным параметром, используемым при передаче сообщений, является скорость модуляции. Глаз в этом отношении имеет ограничения. Он хорошо приспособлен к восприятию и анализу сложных картин окружающего мира, но не может следить за простыми колебаниями яркости, когда они следуют быстрее 16 раз в секунду.

1.2 Разновидности оптических кабелей связи и их классификация

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.

Существующие ОК по своему назначению могут быть классифицированы на три группы: магистральные, зоновые и городские; в отдельные группы выделяется подводные, объектовые и монтажные ОК.

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.

Подводные ОК предназначаются для осуществления связи через большие водные преграды. Они должны обладать высокой механической прочностью на разрыв и иметь надежные влагостойкие покрытия. Для подводной связи также важно иметь малое затухание и большие длины регенерационных участков.

Объектовые ОК служат для передачи информации внутри объекта. Сюда относятся учрежденческая и видеотелефонная связь, внутренняя сеть кабельного телевидения, а также бортовые информационные системы подвижных объектов (самолет, корабль и др.).

Монтажные ОК используются для внутри- и межблочного монтажа аппаратуры. Они выполняются в виде жгутов или плоских лент.

1.3 Оптические волокна и особенности их изготовления

Основным элементом ОК является оптическое волокно (световод), выполненное в виде тонкого стеклянного волокна цилиндрической формы, по которому передаются световые сигналы с длинами волны 0,85...1,6 мкм, что соответствует диапазону частот (2,3...1,2) * 1014 Гц.

Световод имеет двухслойную конструкцию и состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления. Сердцевина служит для передачи электромагнитной энергии. Назначение оболочки -- создание лучших условий отражения на границе “сердцевина -- оболочка” и защита от помех из окружающего пространства.

Сердцевина волокна, как правило, состоит из кварца, а оболочка может быть кварцевая или полимерная. Первое волокно называется кварц--кварц, а второе кварц--полимер (кремнеор-ганический компаунд). Исходя из физико-оптических характеристик предпочтение отдается первому. Кварцевое стекло обладает следующими свойствами: показатель преломления 1,46, коэффициент теплопроводности 1,4 Вт/мк, плотность 2203 кг/м3.

Снаружи световода располагается защитное покрытие для предохранения его от механических воздействий и нанесения расцветки. Защитное покрытие обычно изготавливается двухслойным: вначале кремнеорганический компаунд (СИЭЛ), а затем--эпоксидакрылат, фторопласт, нейлон, полиэтилен или лак, общий диаметр волокна 500...800 мкм.

В существующих конструкциях ОК применяются световоды трех типов: ступенчатые с диаметром сердцевины 50 мкм, градиентные со сложным (параболическим) профилем показателя преломления сердцевины и одномодовые с тонкой сердцевиной (6...8 мкм).

По частотно-пропускной способности и дальности передачи лучшими являются одномодовые световоды, а худшими -- ступенчатые. Важнейшая проблема оптической связи -- создание оптических волокон (ОВ) с малыми потерями. В качестве исходного материала для изготовления ОВ используется кварцевое стекло, которое является хорошей средой для распространения световой энергии. Однако, как правило, стекло содержит большое количество посторонних примесей, таких как металлы (железо, кобальт, никель, медь) и гидроксильные группы (ОН). Эти примеси приводят к существенному увеличению потерь за счет поглощения и рассеяния света. Для получения ОВ с малыми потерями и затуханием необходимо избавиться от примесей, чтобы было химически чистое стекло.

В настоящее время наиболее распространен метод создания ОВ с малыми потерями путем химического осаждения из газовой фазы.

Получение ОВ путем химического осаждения из газовой фазы выполняется в два этапа: изготовляется двухслойная кварцевая заготовка и из нее вытягивается волокно. Заготовка изготавливается следующим образом: во внутрь полой кварцевой трубки с показателем преломления длиной 0,5...2 м и диаметром 16...18 мм подается струя хлорированного кварца и кислорода. В результате химической реакции при высокой температуре (1500...1700° С) на внутренней поверхности трубки слоями осаждается чистый кварц, таким образом, заполняется вся внутренняя полость трубки, кроме самого центра.

Чтобы ликвидировать этот воздушный канал, подается еще более высокая температура (1900° С), за счет которой происходит схлопывание и трубчатая заготовка превращается в сплошную цилиндрическую заготовку, чистый осажденный кварц.

1.4 Конструкции оптических кабелей

Конструкции ОК в основном определяются назначением и областью их применения. В связи с этим имеется много конструктивных вариантов. В настоящее время в различных странах разрабатывается и изготавливается большое число типов кабелей.

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

1) кабели повивной концентрической скрутки;

2) кабели с фигурным сердечником;

3) 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 кроме ОВ, 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.

В России изготавливаются различные типы и конструкций ОК. Для организации многоканальной связи применяются в основном четырех- и восьмиволоконные кабели.

Представляют интерес ОК французского производства. Они, как правило, комплектуются из унифицированных модулей, состоящих из пластмассового стержня диаметром 4 мм с ребрами по периметру и десяти ОВ, расположенных по периферии этого стержня. Кабели содержат 1, 4, 7 таких модулей. Снаружи кабели имеют алюминиевую и затем полиэтиленовую оболочку.

Американский кабель, широко используемый на ГТС, представляет собой стопку плоских пластмассовых лент, содержащих по 12 ОВ. Кабель может иметь от 4 до 12 лент, содержащих 48-- 144 волокна.



2. Расчетная часть

2.1 Выбор трассы прокладки оптического кабеля

В данной работе поставлена задача спроектировать сеть от г. Тюмени до д. Кулаково, расстояние между объектами оставляет 19 км. Для начала необходимо выбрать трассу прокладки оптического кабеля с учетом географических особенностей местности.

Тюменская область - является субъектом Российской Федерации, входит в состав Уральского федерального округа. Область занимает большую часть Западно-Сибирской равнины и фактически делит территорию России на две большие части: западнее -- Урал и Европейская часть страны, восточнее -- азиатская: Сибирь и Дальний Восток. Климат резко континентальный; средняя температура января -17 градусов, июля +18 градусов. Область имеет экстремальные природно-климатические условия на большей части территории -- 90 % её отнесено к районам Крайнего Севера или приравнено к ним. Большая часть территории (43 млн. га) покрыта лесами. Более 40% населения области проживает в сельской местности.

Трасса прокладки кабеля проходит по территории города Тюмени и далее до села Кулаково (приложение1).

2.2 Выбор системы передачи данных для проектируемой ВОЛП

В последнее время на ВСС широко внедряются ТКС синхронной цифровой иерархии (СЦИ, англ. SDH), работающих по ВОЛС.

SDH - это набор цифровых структур, стандартизированных с целью транспортирования нужным образом адаптированной нагрузки по физическим цепям. В SDH реализуется комплексный процесс перемещения информации, включающей в себя не только передачу сигналов, но и глубокую автоматизацию функций контроля, управления и обслуживания (ОАМ - Operation, AdministrationandManaqement).

SDH разработана с учетом недостатков РDH и по сравнению с последней имеет следующие преимущества:

1)возможность передачи широкополосных сигналов, предполагаемых в будущем;

2) синхронизация сети и синхронная техника мультиплексирования;

3)использование синхронной схемы передачи с побайтным мультиплексированием;

4)временное выравнивание за счет побайтового двухстороннего стаффинга;

5)при мультиплексировании осуществляется синхронизация под входные сигналы;

6) возможность плезиохронной работы при необходимости, в этом случае стаффинг осуществляется за счет двустороннего побитового выравнивания;

7) SDH удачно сочетается с действующими системами РDH и позволяет существенно улучшить управляемость и эффективность этих сетей;

8) мультиплексирование с использованием техники указателей (пойнтеров), фазовые соотношения между циклом SТМ и полезной нагрузкой записывается с помощью указателей, таким образом, доступ к определенному каналу возможен за счет использования указателя;

9) возможность ввода/вывода компонентных сигналов на любом пункте;

10) встроенная система оперативного переключения сокращает потребности в аппаратуре, улучшает производительность и надежность сети, позволяет выполнять кросс- коммутацию потоков на различных уровнях согласно планируемой конфигурации сети, а также ускоряет процедуры восстановления сети в аварийных ситуациях;

11) SDH обеспечивает надежную трассу передачи системой указателей, которая способствует безупречной работе даже в случае, когда узлы несинхронизированы, для стыковки сигналов РDH применяется юстификация по битам, все это вместе гарантирует исключительно низкий коэффициент ошибок по битам;

12) кольцевые сети SDH обеспечивают экономичное резервирование маршрута и оборудования без сложных схем резервирования сети;

13) высокая надежность и самовосстанавливаемость сети с использованием резервирования и автоматического переключения в обход поврежденного участка за счет полного мониторинга сети и использования кольцевых топологий;

14) простота перехода с одного уровня SDH на другой, структура мультиплексированного сигнала SТМ - N идентична структуре сигнала SТМ-1, скорости транспортировки сигналов SТМ - N определяются умножением базовой скорости 155,52 Мбит/с на N, поэтому при мультиплексировании не требуется формирования нового цикла;

15) гибкая структура цикла предоставляет возможность для наращивания пропускной способности системы;

16) прозрачность сети SDH для передачи любого трафика, обусловленная использованием виртуальных контейнеров;

17) возможность прямого преобразования электрического сигнала в оптический без сложного линейного кодирования, управление за счет контроля количества ошибок на различных участках передачи информации;

18) единый всемирный стандарт для производителей оборудования, высокий уровень стандартизации SDH технологий и стандартизованный линейный код NRZ обеспечивают совместимость мультиплексного и линейного оборудования разных фирм - изготовителей;

19) предоставление услуг по требованию, обеспечиваемое гибкими элементами сети и эффективным управлением сетью;

20) сокращение издержек технической эксплуатации (ТЭ) и технического обслуживания (ТО) вследствие широких возможностей сетевого управления в системах SDH. Управление функциями передачи, резервирования, оперативного переключения, ввода/вывода и контроля на каждой станции и во всей транспортной системе осуществляется программно и дистанционно по каналам, встроенным в цикл STM. Полная автоматизация процессов эксплуатации сети SDH, радикально повышает её гибкость и надежность, а также качество связи.

Наличие служебных битов в составе передаваемых структур позволяет:

- контролировать их прохождение по сети и обеспечивать качество услуги “абонент-абонент”;

- контролировать состояние элементов сети;

-организовать управление сетью (реконструкция, самовосстановление при авариях), что создает предпосылки для достижения её высокой надежности и живучести.

Таким образом, на сетях связи всех уровней на ВОЛС некоторое время будут совместно находиться на эксплуатации ВОСП РDH и SDH. Такое положение сохранится до полного вытеснения систем РDH системами SDH. Поэтому на данном этапе развития ВСС весьма важным является умение проектировать цифровые оптические линии передачи и оценивать качество их функционирования. Исходя из вышеизложенного для проектируемого участка ВОЛС предлагается выбор синхронной системы технологии SDH, по модулю STM -1. Данный выбор обосновывается тем, что имеющееся избыточность может быть использована в будущем для развития сети услуг в данном направлении.

2.3 Транспортные системы SDH

Новые возможности цифровых коммутаторов и технических средств транспортной среды (возможность реализации мощных транспортных сетей на базе ВОЛС и мультиплексоров SDH: терминальных, ввода/вывода, с кросс-коммутацией) с перспективой увеличения пропускной способности без существенной реконструкции, способность SDH к глубокой автоматизации и контролю элементов сети и качества услуг, а также к автоматическому и программному управлению сложными конфигурациями.

Достижения современной техники коммутации и передачи сместили акценты в распределении затрат. Стоимость канало-километра стремительно снижается, а стоимость точки коммутации если не растет, то снижается значительно меньшими темпами. С другой стороны, появление SDH и мощных мультиплексоров с кросс-коммутацией превратили сеть передач по сути в распределённый коммутатор.

Транспортная сеть или система (ТС) может охватывать участки зоновых линий передачи. ТС органически объединяет сетевые ресурсы, которые выполняют функции передачи информации, контроля и управления (оперативного переключения, резервирования и т.д.). ТС является базой для всех существующих и планируемых служб интеллектуальных, персональных и других сетей. Информационной нагрузкой ТС SDH являются сигналы PDH. Аналоговые сигналы предварительно преобразуются в цифровую форму с помощью имеющегося на сети аналого-цифрового оборудования. Универсальные возможности транспортирования разнородных сигналов достигаются в SDH благодаря использованию принципа контейнерных перевозок. В ТС SDH перемещаются не сами сигналы нагрузки, а новые цифровые структуры - виртуальные контейнеры, в которых размещаются сигналы нагрузки. Сетевые операции с контейнерами выполняются независимо от их содержания. После доставки на место и выгрузки из виртуальных контейнеров (VC) сигналы нагрузки обретают исходную форму. Поэтому ТС SDH является прозрачной для любых сигналов.

ТС SDH содержит информационную сеть и систему обслуживания [6].



Таблица 2.1- Соответствие слоёв SDH с информационными структурами

Слои	Информационные структуры
Каналы
	Контейнеры С
Тракты	низшего порядка	Виртуальные контейнеры VC-12, VC-2
		Субблоки TU и их группы TUG
	высшего порядка	Виртуальные контейнеры VC-3, VC-4
	Административный блок AU
Среда передачи	Секции	Синхронные транспортные модули STM
	Физическая среда

Рисунок 2.1 - Послойное строение сети SDH

Архитектура информационной сети представляет собой функциональные слои, связанные между собой отношениями клиент-слуга. Все слои выполняют определённые функции и имеют стандартизированные точки доступа. Каждый слой оснащён собственными средствами контроля и управления и может создаваться и развиваться независимо. На рисунке 2.1 показано послойное строение сети SDH, а в таблице 2.1 - соотношение указанных слоёв с информационными структурами SDH.

Указанное свойство SDH облегчает эксплуатацию сети и позволяет достичь наиболее высоких технико-экономических показателей. Сеть SDH содержит три топологически независимых слоя: каналов, трактов и среды передачи.

Создание сетевых конфигураций, контроль и управление отдельными станциями и всей информационной сетью осуществляется программно и дистанционно с помощью системы обслуживания SDH. Система решает задачи обслуживания современных сетей связи: оптимизирует эксплуатацию аппаратуры разных фирм-производителей в зоне одного оператора и обеспечивает автоматическое взаимодействие зон разных операторов. Система обслуживания делится на подсистемы. Доступ к каждой SDH-подсистеме осуществляется через главный в этой подсистеме (шлюзовый) узел или станцию SDH.

В слое среды передачи находятся самые крупные структуры SDH: синхронные транспортные модули (STM), представляющие собой форматы линейных сигналов. Они же используются на интерфейсах сетевых узлов.

На рисунке 1.2 показаны циклы STM-1 и VC-4. Административный блок AU-4 образуется по алгоритму

C-4 + POH = VC-4,

VC-4 + AU PTR = AU-4,

где POH - трактовый заголовок VC-4;

AU PTR - указатель административного блока.

Цикл STM имеет период повторения 125 мкс и изображен в виде прямоугольной таблицы из 9 рядов и 270 столбцов (9 х 270 = 2430 элементов). Каждый элемент соответствует объёму информации 1 байт (8 бит) и скорости транспортирования 64 Кбит/сек, а вся таблица - скорости передачи первого уровня SDH:

64 х 2430 = 155 520 кбит/сек = 155,520 Мбит/сек.

Первые 9 столбцов цикла STM-1 занимают служебные сигналы: секционный заголовок (SOH), который состоит из заголовка регенерационной секции RSOH (первые три ряда) и заголовка мультиплексной секции MSOH (последние 5 рядов) и указателя административного блока (AU-указателя), т.е. указателя позиции первого байта цикла нагрузки. Остальные 261 столбец отводятся для нагрузки.

Рисунок 2.2 - Структура цикла STM-1 и фрагменты отображения AU-4 на STM

Для организации соединений в сетевых слоях трактов используются виртуальные контейнеры VC-12. VC - блочная структура с периодом повторения 125 мкс или 500 мкс (в зависимости от вида тракта). Каждый VC состоит из поля нагрузки C-n и трактового заголовка POH (рисунок 2.3).

На рисунке 2.3 приведён пример логического формирования модуля STM-1 из потоков E1 2 Мбит/с по схеме Европейского института стандартов в области связи (ETSI).

Рисунок 2.3 - Пример формирования STM-1

STM-1=(((E1+<байты>+VC-12_POH+TU-12_PRT)x3TUG-2)x7TUG-3+NPI+ +FSTUG-3)x3VC-4+VC-4_POH+FSVC-4+AU-4_PTR)x1AUG+RSOH+MSOH

STM-1=(32E1+2байты+1VC-12_POH+1TU-12_PRT)*3TUG-2)*7TUG-3+3NPI++15FS_TUG-3)*3VC-4+9VC-4_POH+18FS_VC-4+9AU-4_PTR)*1AUG+3*9RSOH+5*9MSOH .

2.4 Основные проектные решения

Выбор ступени иерархии и мультиплексора на основе расчета групповой скорости потоков

Постоянное развитие телекоммуникационных технологий в современном мире привело к изменениям в понимании сущности, методов построения современных цифровых сетей связи (ЦСС). Принципы построения аппаратуры ЦСС в каждой стране мира должны быть стандартизированными. На межгосударственном уровне создан Международный союз электросвязи (МСЭ), занимающийся принципами построения и стандартизации ЦСП. Он рекомендует строить цифровые системы передачи по иерархическому принципу.

Скорость передачи цифровой речи, равная 64 кб/сек принята, как «единичная» во всем мире. Канал, в котором биты информации передаются со скоростью 64 000 цифр/с, получил название основного цифрового канала. Возможности любой ЦСП оцениваются числом организованных с её помощью именно таких стандартных каналов.

Чем выше ступень иерархии, тем больше организуется каналов и тем мощнее цифровой поток, тем выше его скорость.

Первая цифровая иерархия (американский стандарт), порожденный первичной скоростью передачи 1544 кб/сек, дает последовательность скоростей: 1544 - 6312 - 44736 - 274176 кб/сек. Данная иерархия позволяет передавать 24, 96, 672, 4032 основных цифровых каналов.

Вторая цифровая иерархия (японский стандарт), порожденный первичной скоростью передачи 1544 кб/сек, дает последовательность скоростей: 1544 - 6312 - 32064 - 97728 кб/сек. Данная иерархия позволяет передавать 24, 96, 480, 1440 основных цифровых каналов.

Третья цифровая иерархия (европейский стандарт), порожденный первичной скоростью передачи 2048 кб/сек, дает последовательность скоростей: 2048 - 8448 - 34368 - 139264 - 564992 кб/сек, который образуют соответственно каналы Е1 - Е2 - Е3 - Е4 - Е5. Данная иерархия позволяет передавать 30, 120, 480, 1920, 7680 основных цифровых каналов.

Параллельное развитие трех различных иерархий со временем стало мешать развитию глобальных телекоммуникаций в мире, поэтому был разработан стандарт ITU-T, в соответствии с которым в качестве основных были стандартизированы три первые уровня первой цифровой иерархии, четыре уровня второй иерархии и четыре уровня третьей иерархии. В результате стандартизации были разработаны схемы плезиохронной цифровой иерархии (PDH) и синхронной цифровой иерархии (SDH).

Существенные недостатки PDH, основные из которых трудность восстановления синхронизации первичных цифровых потоков при нарушении синхронизации группового сигнала; и почти полное отсутствие возможностей контроля и управления сетью, привели к разработке и внедрению более совершенной синхронной цифровой иерархии (SDH - Synchronous Digital Hierarchy).

Таблица 2.2 Скоростная иерархия SDH

Уровень иерархии	Тип синхронного транспортного модуля	Скорость передачи, Мб/с
1	STM-1	155,520
2	STM-4	622,080
3	STM-16	2488,320
4	STM-64	9953,280

Для транспортировки цифрового потока со скоростью 155, 520 Мбит/сек создается синхронный транспортный модуль (Synchronous Transport Module) STM-1. Для создания более мощных цифровых потоков формируется следующая скоростная иерархия (таблица 2.2): 4 модуля STM-1 объединяются путем побайтного мультиплексирования в модуль STM-4, передаваемый со скоростью 622,080 Мб/сек; затем 4 модуля STM-4 объединяются в модуль STM-16 со скоростью передачи 2488,320 Мб/сек; наконец 4 модуля STM-16 могут быть объединены в высокоскоростной модуль STM-64 (9953,280 Мб/сек). На рисунке 2..4 показано формирование модуля STM-16.

Рисунок 2.4 Формирование модуля STM-16

Для выбора ступени иерархии SDH и типа оборудования (мультиплексора) для цифровой сети на участке Тюмень - Кулаково, для начала необходимо произвести расчет числа каналов, связывающих эти города. Оно зависит от численности населения проживающего в этих городах, а также от заинтересованности отдельных групп населения в связи.

По данным на 2010 год население Тюмени составило 581907 человек, п. Кулаково 3740 человек. При перспективном строительстве следует учитывать прирост населения. Средний годовой прирост населения принимаем равным 2 процента.

Количество населения , чел., в заданном пункте с учетом среднего прироста определяется по формуле:

, (2.1)

где - число жителей на год последнего исследования, человек;

- средний годовой прирост населения в данной местности, в процентах;

- период, определяемый как разность между назначенным годом перспективного проектирования и годом проведения подсчета населения, год.

Год перспективного проектирования принимается на 5 лет вперед, следовательно:

(2.2)

где - год составления проекта;

- год, к которому относятся данные о населении.

Используя формулы (2.1) и (2.2) рассчитаем численность населения в населенных пунктах:

t=5+(2014-2010)=9лет;

Hтюм=600000(1+2/100)9=600000*1,2=720000 человек. (2.3)

Hкулаково3740*1,2=4488 человек (2.4)

Степень заинтересованности отдельных групп населения во взаимосвязи зависит от политических, экономических, культурных и социально-бытовых отношений между группами населения, районами и областями. Практически эти взаимосвязи выражаются через коэффициент тяготения , который, как показывают исследования, колеблется в широких пределах от 0,1 до 12 процентов. Примем, , равным 10%.

Расчет количества телефонных каналов междугородной связи произведем по приближенной формуле:



, (2.5)

Где и - постоянные коэффициенты, соответствующие фиксированной доступности и заданным потерям, ; (потери задаются, равными 5%);

- удельная нагрузка, то есть средняя нагрузка, создаваемая одним абонентом, Эрл;= 0.025

и - количество абонентов, обслуживаемых автоматическими междугородными телефонными станциями (АМТС).

Для определения количества абонентов, обслуживаемых АМТС в зависимости от численности населения в зоне обслуживания, примем коэффициент оснащенности населения телефонными аппаратами равным 0,38 и произведем расчет по следующей формуле:

. (2.6)

По формуле (2.6) рассчитаем количество абонентов в зоне обслуживания АМТС:

для Тюмени: 0.38*720000= 273600 абонентов;

для Кулаково: 0.38*4488= 1705 абонентов.

Используя формулу (2.5) определим количество телефонных каналов для проектируемой линии:

Nchanal=8 b 17 при 0.025 (2.7)

каналов. (2.8)

Необходимо учесть организацию и других видов связи, например телеграфная связь, передача данных, газет, сигналов вещания. Общее число каналов рассчитывается по формуле:

, (2.9)

где - число двухсторонних каналов для телефонной связи;

- число каналов тональной частоты (ТЧ) для телеграфной связи;

- число каналов ТЧ для передачи сигналов вещания;

- число каналов ТЧ для передачи данных;

- число каналов ТЧ для передачи газет;

- число каналов ТЧ или ОЦК, исключаемых из передачи телефонной

информации для организации одного канала телевидения;

Поскольку число каналов для организации связи различного назначения может быть выражено через число телефонных каналов, то общее количество телефонных каналов рассчитывается по упрощенной формуле:

. (2.10)

Тридцать телефонных каналов 64кб/с образуют один цифровой поток Е1.

Для передачи 1 ТВ сигнала необходимо ~16 Mb/s (MPEG-1) = 240 каналов ТЧ это 8 потоков E1, или полоса ~8 Mb/s (MPEG-2) = 180 каналов ТЧ или 6 потоков E1. Выбираем (MPEG-2). Выбираем количество каналов для передачи газет 60 каналов ТЧ. Число каналов на Internet выбираем 410 или 14 потоков Е1.

Следовательно, общее число каналов, необходимых для организации связи, равно:

каналов или 26 потоков Е1. (2.11)

Таким образом, для организации связи между двумя населенными пунктами от города Тюмени до поселка Кулаково необходим мультиплексор уровня STM-1.

Аппаратуру и оборудование для систем передачи SDH предлагают многие известные фирмы-изготовители, такие как «Alcatel», «Siemens», «Nortel», «Huawei» и другие.

Так как в нашем случае количество потоков E1=26, то была выбрана система передачи компании HUAWEI OptiX 1050. Данный мультиплексор (рисунок 2.5) это компактное оборудование с поддержкой скорости передачи на уровне STM-1 (155 Мбит/с) и STM-4 (622 Мбит/с).

Главной отличительной особенностью платформы от оборудования OptiX Metro 1050 является поддержка механизмов резервирования на аппаратном уровне. Благодаря этому, у оператора связи появляется возможность использования высоконадежного и вместе с тем компактного и экономичного оборудования на уровне доступа.

Рисунок 2.5 - Мультиплексор HUAWEI OptiX 1050

Комбинируя различные технологии, оборудование OptiX Metro 1050 не только сохраняет гибкость и надежность, присущую технологии SDH, но также обеспечивает эффективную передачу трафика ATM и IP за счет возможности установки соответствующих интерфейсных модулей. Поддерживаются скорости передачи на уровне STM-1 (155 Мбит/с) и STM-4 (622 Мбит/с). При этом оборудование обладает небольшими размерами, характерными для класса устройств микро-SDH. В опорной сети, построенной на устройствах OptiX Metro, обеспечивается динамическое распределение полосы пропускания пользователям в соответствии с объемами проходящего трафика, т.к. система использует статистический, а не фиксированный метод мультиплексирования данных.

Технические возможности системы аналогичны оборудованию 1000-ной серии мультиплексоров OptiX Metro фирмы HUAWEI. Матрица кросс-коммутации имеет эквивалентную емкость 1616 VC-4 или 10081008 VC-12 (2 Мбит/с). В максимальной конфигурации платформа может поддерживать передачу 80 потоков Е1. Также существует возможность установки интерфейсных модулей с суммарным количеством портов 6 Е3, 3 STM-4, 6 STM-1, 4 АТМ 155 Мбит/с. Кроме того, для данных мультиплексоров предлагаются Ethernet-платы с двумя или восемью портами 10/100 Мбит/с. Любой порт в таком модуле может работать во всех пяти режимах: дуплексный и полудуплексный (каждый 10 Мбит/с или 100 Мбит/с), а также универсальный. После соответствующей обработки Ethernet-кадры помещаются в "контейнеры" VC-12. Данные могут быть также упакованы в каналы N2 Мбит/с, однако суммарный трафик всех портов не должен превышать 482 Мбит/с. Стоит отметить, что платы ET1D, располагающие двумя Ethernet-интерфейсами, имеют небольшой размер, что позволяет устанавливать их не в стандартный дополнительный слот мультиплексора, а в специальные мини-разъемы.

Рисунок 2.6 - Ethernet- плата мултиплексора OptiX Metro 1050

Характеристики системы:

· линейные размеры: 43629386 мм. Вес: 7 кг для стандартной конфигурации;

· эквивалентная емкость матрицы кросс-коммутации - 1616 VC-4, кросс-коннекция на уровне VC-12;

· максимальное количество интерфейсов - 80E1, 64T1, 6E3/T3, 3STM-4, 6STM-1, 2/4ATM (155M), 810/100 Mбит/с Ethernet. Также возможна установка интерфейсных плат SHDSL, N64K (V.35/X.21/FE1);

· оборудование может быть установлено: в стандартную 19-дюймовую стойку, стойку ETSI, компактную интегрированную стойку Huawei;

· возможна настенная и настольная установка;

· дальность передачи до 90 км.

Выбор данной транспортной платформы обуславливается ещё и тем, что она легко может быть модернизирована с уровня STM-1 в уровень STM-4, расширение количества потоков добавлением дополнительных трибутарных плат, защита 1+1 блоков кросс-коммутации, синхронизации и питания, защита 1:N трибутарных плат, малые габариты.

Для обеспечения резервирования OptiX Metro 1050 использует такие механизмы, как двухволоконная MSP, SNCP, DNI, MS, SPRing, а также кольца АТМ VP Ring, IP Ring ATM, виртуальная защита пути в совместно используемом волокне ("фирменная" разработка Huawei). Суть этого механизма заключается в том, что вся пропускная способность волокна делится на уровни VC-4 или VC-12 для формирования логических подсистем, которые отвечают за свой вид трафика. Для каждой подсистемы устанавливается свой режим защиты в зависимости от типа трафика. Таким образом, одно волокно может одновременно поддерживать различные режимы защиты для разных групп трафика.

2.5 Выбор оптического кабеля для проектируемой ВОЛП

Для проектируемой линии связи с учетом санкций будем использовать кабель оптический ОКБ-Э-24(2) - 8кн отечественного производства с магистральный с броней из стальных проволок, для прокладки в грунтах всех категорий, при пересечении рек и болот, мостах, в кабельной канализации, тоннелях, коллекторах, при вводе в здания и эксплуатации при температуре окружающей среды от минус 40°С до плюс 70°С (приложение2,3).

Особенности:

§ срок службы - не менее 30 лет;

§ модульная конструкция;

§ наличие защитных покровов (стальная проволочная броня), центрального силового элемента (стеклопластиковый пруток или стальной трос, покрытый полимерной оболочкой);

§ стойкий к повреждению грызунами;

§ возможно изготовление с внешней оболочкой из полиэтилена, не распространяющего горение;

§ возможно изготовление строительных длин до 6 км;

§ маркировка погонного метра с точностью не хуже 1%

поставляется на деревянных барабанах типа 12а, 17а, 18а

Цена: 49'680,00 р. за км

Будем использовать 24 волокон.

2.6 Расчет длины регенерационного участка

Расчет проектной длины регенерационного участка, полной длины оптического линейного тракта и определение его структуры

Длина регенерационного участка определяется суммарным затуханием регенерационного участка и дисперсией оптического кабеля. Суммарное затухание состоит из потерь мощности непосредственно в оптическом волокне и из потерь в разъемных и неразъемных соединениях.

Суммарные потери регенерационного участка, можно рассчитать по формуле:

, дБ (2.11)

(где - количество разъемных соединителей, ;

- потери в разъемных соединениях, дБ (приложение Б, табл.1);

- количество неразъемных соединений,

=, гдеlc- строительная длина в кабеле, ;

- потери в неразъемных соединениях (приложение В), дБ;

- допуск на температурные изменения затухания ОВ, дБ;

- допуск на изменение характеристик компонентов РУ со временем, дБ;

- коэффициент затухания ОВ, (таблица 4.3).

Суммарные потери регенерационного участка равны:

дБ (2.12)

Длину регенерационного участка с учетом потерь мощности можно определить по формуле:

, (2.13)

где - энергетический потенциал волоконно-оптической системы передачи, определяемый по формуле:

, дБ (2.14)

где- уровень мощности оптического излучателя, дБм;

- чувствительность приемника, дБм.

Чувствительность приемника составляет -29,5 дБ (из расчета, проведенного в пункте 7.8).

Таким образом, энергетический потенциал равен:

дБ (2.15)

С учетом энергетического потенциала системы допустимые потери в волоконно-оптическом тракте составят:

. (2.16)

В нашем случае,дБ

Тогда длина регенерационного участка будет составлять:

, (2.17)

км

На длину регенерационного участка накладывают ограничения дисперсионные характеристики волокна.

С учетом дисперсии оптического волокна длина регенерационного участка составит:

, км (2.18)

где В - требуемая скорость передачи информации, В=155,52 106бит/с;

ф - значение хроматической дисперсии одномодового оптического волокна.

км. (2.19)

Длина регенерационного участка, рассчитанная по формуле (2.19), удовлетворяет требованию: lРУMAX? lРУ,

Так как расстояние между населенными пунктами Тюмень - Кулаково н составляет 19 км, то устанавливать необслуживаемый регенерационный пункт (НРП) нет необходимости.

2.7 Прокладка оптического кабеля в грунте

Территория вдоль трассы, вдоль которой будет проложен ОК, имеет в основном равнинный рельеф с незначительными оврагами. Наиболее экономически выгодным и удобным для прокладки в грунт ОК является прокладка кабелеукладчиком (бестраншейная прокладка), обеспечивающая наиболее высокую степень механизации и скорость прокладки. При этом способе ножом кабелеукладчика в грунте прорезается узкая щель, и кабель укладывается на ее дно, на глубину 0,9-1,2 м. В целом бестраншейная прокладка кабеля - процесс динамичный, кабель испытывает механические нагрузки. Особенностью прокладки ОК является необходимость осуществления постоянного оптического контроля за целостностью и состоянием оптических волокон и кабеля в процессе прокладки. С этой целью все оптические волокна соединяются шлейфом и включаются в измерительный прибор.

В начале прокладки кабеля в местах расположения сростков отрывают котлованы размером 31,51,2 м. Кабель заправляют в кассету с запасом 5 м. перед прокладкой трассу планируют бульдозером. Подъем и уклоны не должны превышать 30%. Характер данной местности и почвы отвечают необходимым требованиям.

При выборе соответствующего кабелеукладочного оборудования особое внимание было обращено на конструкцию кассеты для подачи оптического кабеля. Полезная мощность на маховике двигателя базового трактора при минимальной глубине прокладки должна быть равна: 75 - 110 кВт при 0,9 м и 160 - 240 кВт при 1,2 м. При выборе базового трактора тип ОВ и его относительно малый диаметр и масса не являются определяющими факторами. В кабелеукладочном оборудовании особое внимание уделяется системе подачи кабеля и направляющей кассете. Используем способ, при котором кабельный барабан монтируется спереди трактора и кабель проходит над кабиной трактора через квадратную конструкцию с роликами или направляющими трубками, а затем через блок с гидроприводом, обеспечивающий размотку кабеля с барабана и подачу его в кассету. Кабель должен сделать один полный виток вокруг блока, скорость вращения которого должна превышать линейную скорость перемещения базового трактора.

Рисунок 2.7 - Прокладка ОК кабелеукладчиком

Эта система прокладки (рисунок 2.7) состоит из опорной конструкции, на которой устанавливаются барабаны, роликов или направляющих трубок, блока и направляющей кассеты, располагаемой сзади на кабелеукладчике. Радиус изгиба направляющей кассеты должен отвечать требования минимального радиуса изгиба ОК. Все ролики или направляющие приспособления в системе, вызывающие изменения направления похождения кабеля, должны соответствовать минимально допустимому радиусу изгиба кабеля. Он должен в 20 раз превышать диаметр кабеля. В моем случае кабель ОКЛК-01 имеет диаметр 28 мм, следовательно, минимально допустимый радиус изгиба должен превышать 560 мм.

Допустимый радиус изгиба ОК должен оставаться постоянным, при повороте трассы с радиусом более крутым, чем допускает кабелеукладочная техника, должна отрываться траншея для выполнения маневра. Выглубление и заглубление ножа кабелеукладчика производятся только в предварительно отрытом котловане, размер которого должен быть больше наибольшей ширины ножа. Выше уровня прокладки ОК на 10...15 см одновременно с ОК прокладывается сигнальная лента, а на поворотах трассы и участках пересечений с подземными сооружениями устанавливаются электронные маркеры.

Во избежание защемления кабеля в направляющих роликах сделаны зазоры. Кабель подается на верхнюю часть кассеты. Между отверстием в кабельном барабане и осью, вставляемой в барабан, должен быть зазор 1,6…3,2 мм, при этом во избежание бокового соскальзывания барабана в осевом направлении на оси устанавливаются зажимные втулки.

2.8 Прокладка оптического кабеля на переходах через подземные коммуникации

На участке пересечения с автомобильными и железными дорогами ОК укладывают в защитные полиэтиленовые трубы, прокладываемые преимущественно закрытым способом. Проектируемая трасса имеет 2 перехода через железную и автодорогу. Используем для перехода метод горизонтального прокола.

Метод горизонтального прокола является достаточно простым и основан на образовании скважины за счет уплотнения массива грунта. Вначале вырывают два котлована - стартовый и приемный, они имеют требуемую глубину. В стартовом котловане устанавливают раму с домкратами. Затем труба с наконечником с постоянно добавляемыми секциями пронзает массив грунта. В конце труба должна выйти в приемном котловане. Схематично этот процесс изображен на рисунке 2.8.

Рисунок 2.8 - Схема метода горизонтального прокола

Проталкивание трубы, осуществляется домкратами. Через наголовник сменными нажимными удлинительными патрубками, шомполами или зажимными хомутами передается давление. Затем трубу циклически вдавливают, путем попеременного переключения домкратов на прямой и обратный ход, при этом прилагаемое усилие достигает 3000 кН.

Применение полиэтиленовой трубы оптического кабеля большой обеспечивает защиту кабеля от возможных повреждений, трубы ПНД не подвержены коррозии, экологически чисты, гигиеничны и безопасны. Срок службы таких труб оценивается в 5 - 100 лет, то есть гарантированный срок безаварийной эксплуатации трубопроводов увеличивается в 2 - 3 раза. Снижается риск аварий.

2.9 Прокладка оптического кабеля через водные преграды

Подводная прокладка рассматривается как часть или отрезок подземной прокладки, когда приходится пересекать реки, ручьи, болота, озера, искусственные водоемы, каналы.

Несудоходные реки Убля и Потудань, через которые проектом предусмотрен переход, в месте переходов имеют ширину 30-50 метров, глубину не более 3 метров. В данном случае по действующим нормам через водные преграды шириной до 300 и глубиной до 6 м со скоростью течения до 1,5 м/с при плавном рельефе дна (включая подводную береговую часть), кабели связи следует прокладывать бестраншейным способом заглублением до 1,2 м.

В пойменной части трассы кабельного перехода через водную преграду подводный кабель до стыка с подземным кабелем должен прокладываться на глубине прокладки подземного кабеля.

Монтаж оптических кабелей - наиболее ответственная операция, предопределяющая качество и дальность связи по ВОЛС. Соединение волокон и монтаж кабелей производятся как в процессе производства, так и при строительстве и эксплуатации кабельных линий.

Оптические кабели производятся определенной длины, которая называется строительной. В моем случае она составляет 4км. Длина оптической линии превышает строительную, поэтому ОК, проложенные в канализации, грунте, необходимо соединять, то есть сращивать между собой. Для этого оптические волокна на концах ОК освобождают от модуля на длине до 0,5…1,0 м и соединяют между собой “торец-торец” путем сварки. Что бы осуществить сварку или склеивание, оптическое волокно на длине примерно 1 мм от конца освобождают от защитной оболочки, после чего с помощью специального устройства - скалывателя производят скалывание волокна. Далее производят сварку ОВ. Соединенные таким образом оптические волокна размещают в специальных кассетах, а они в свою очередь внутри специального контейнера, в котором закрепляются концы ОК в тех участках, на которых не снята его защитная оболочка. Такой контейнер называется муфтой. Рассмотрим более подробно эти процессы.

2.10 Подготовка ОВ к сращиванию

Процесс подготовки ОВ к сращиванию включает в себя операции снятия первичного защитно-упрочняющего покрытия волокна и скалывания для получения хорошо обработанной торцевой поверхности волокна, а также обтирку зачищенных концов мягким материалом, пропитанным растворителем (спиртом).