Исследование основных показателей качества передачи информации по волоконно-оптической линии связи

Руководитель __________________ ст. преп. А.Г. Мамедова

Задание принял

к исполнению __________________ Н.Э. Новрузова

Реферат

Выпускная работа состоит из 50 стр., в том числе 45 стр. расчетно-пояснительной записки, 5 стр. графического материала, 3 таблиц, заключения и 10 наименований списка литературы.

В выпускной работе на основе исходных данных произведен выбор транспортной технологии, дано описание выбранной транспортной системы, определены технологические решения по контролю качества трактов и секций. Кроме того, произведены расчет линейного тракта, выбор оптического кабеля и расчет длин участков регенерации, расчет быстродействия волоконно-оптической линий передачи, определена вероятность ошибок приемного оптического модуля и на основе полученных расчетов построена схема организации связи на магистрали.

THE ABSTRACT

Final work consists of 50 pages, including 45 pages of a settlement-explanatory note, 5 pages of a graphic material, 3 tables, the conclusion and 10 names of the list of the literature.

In final operation on the basis of basic data the choice of transport technology is made, the description of the selected transport system is this, technological decisions on quality control of paths and sections are defined. Besides, calculation of the linear path, a choice of the optical cable and calculation of lengths of sections of regeneration, calculation of high-speed performance fiber-optical transmission lines are made, the probability of errors of receiving fiber unit is defined and on the basis of discharged the diagram of the organization of communication on the trunk is constructed.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

1. Выбор транспортной технологии

2. Описание выбранной транспортной системы

3. Технологические решения по контролю качества трактов и секций

4. Расчет линейного тракта ЦСП

4.1 Выбор типа оптического кабеля

4.2 Расчет длин участков регенерации

4.3 Расчет быстродействия ВОЛП и определение вероятности ошибок приемного оптического модуля

4.2.1 Расчет быстродействия ВОЛП

4.2.2 Определение вероятности ошибок приемного оптического модуля

5. Организация связи на магистрали

Заключение

Литература

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время ускорение технического прогресса невозможно без совершенствования средств связи, систем сбора, передачи и обработки информации. В вопросах развития сетей связи большое внимание уделяется развитию систем передачи и распределения информации. Наиболее широкое распространение в последнее время получили многоканальные телекоммуникационные системы (ТКС) передачи с импульсно-кодовой модуляцией, работающие по волоконно-оптическим кабелям.

В настоящее время волоконно-оптическая связь широко применяется не только для организации телефонной связи, но и для кабельного телевидения, видеотелефонии, радиовещания, передачи данных и т.д. Дальнейшему развитию методов и аппаратуры волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) способствуют уникальные свойства волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), т.е. малые затухание и дисперсия оптических волокон (ОВ), гибкость в реализации требуемой полосы пропускания, широкополосность, малые габаритные размеры и масса ОВ и ОК, невосприимчивость к внешним электромагнитным полям, отсутствие искрения при обрывах, коротком замыкании и ненадёжных контактах, допустимость изгиба световода под малым радиусом, низкая стоимость материала световода, возможность использования ОК, не обладающих электропроводностью и индуктивностью, высокая скрытность связи, высокая прозрачность ОВ и возможность постоянного усовершенствования системы связи по мере появления источников с улучшенными характеристиками.

В последнее время на ВСС широко внедряются ТКС синхронной цифровой иерархии (СЦИ, англ. SDH), работающих также 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, Administration and Manaqement).

История развития волоконно-оптических линий связи началась в 1965-1967 гг., когда появились опытные волноводные линии связи для передачи широкополосной информации, а также криогенные сверхпроводящие кабельные линии с малым затуханием. С 1970 г. активно развернулись работы по созданию световодов и оптических кабелей, использующих видимое и инфракрасное излучения оптического диапазона волн. Создание волоконного световода и получение непрерывной генерации полупроводникового лазера сыграли решающую роль в быстром развитии волоконно-оптической связи. К началу 80-х годов были разработаны и испытаны волоконно-оптические системы связи. Основные сферы применения таких систем телефонная сеть, кабельное телевидение, вычислительная техника, система контроля и управления технологическими процессами и т. д.

Оптический кабель (ОК) 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 3 группы: магистральные, зоновые и городские. В отдельные группы выделяются подводные, объектовые и монтажные ОК.

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. В учебном пособии ставится задача помочь студентам в освоении указанных методик.

1. Выбор транспортной технологии

Первоначально для выбора волоконно-оптических систем передачи нам необходимо знать количество организуемых каналов тональной частоты, цифровых потоков различного уровня. Итак, это определяется характером передаваемой информации, а также числом организуемых каналов. Важно при этом иметь в виду, что в настоящее время используется унифицированная каналообразующая аппаратура ЦСП различных ступеней иерархии.

Волоконно-оптической системой передачи или транспортной системой называется совокупность активных и пассивных устройств, предназначенных для передачи информации на расстояние по оптоволокну с помощью оптических волн. Таким образом, можно сказать, что это совокупность электрических и оптических устройств и оптических линий передачи для создания, обработки и передачи оптических сигналов. Фактически - это волоконно-оптический кабель, ответвительные муфты и оконечные устройства (оптические кроссы, коммутаторы, мультиплексоры, медиа конвертеры, трансиверы).

Волоконно-оптической линией передачи называется совокупность физических цепей, линейных трактов систем передачи, имеющих общие среду распространения, линейные сооружения и устройства их технического обслуживания и управления.

Большинство ВОСП работают по оптическим кабелям по двух волоконной схеме, когда для передачи информации в одном направлении используется одно оптоволокно, а для передачи в обратном направлении - другое.

Уже сейчас появились ВОСП, работающие в одном волокне для передачи информации в обоих направлениях.

1.1 Транспортные технологии SDH

Новые возможности цифровых коммутаторов и технических средств транспортной среды 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 предъявляют новые требования к планированию и проектированию сетей электросвязи.

Появление SDH и мощных мультиплексоров с кросс - коммутацией превратили сеть передачи, по сути, в распределённый коммутатор. Как следствие возникла необходимость пересмотреть многоуровневую структуру прежней первичной сети: местная, внутризоновая и магистральная, представив её двумя уровнями: сетью доступа и транспортной сетью

Создание сетевых конфигураций ,контроль и управление отдельными станциями и всей информационной сетью осуществляется программно и дистанционно с помощью системы обслуживания SDH .Система 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 узел

Крупные структуры SDH :синхронные транспортные модули (STM) представляющие собой форматы линейных сигналов ,находятся в слое среды передачи которые и используются на интерфейсах сетевых узлов .

По результатам расчетов количества организуемых каналов определяется уровень STM

2. Описание выбранной транспортной технологии

Модель транспортной сети SDH определена рекомендацией G.803 “Архитектура транспортных сетей, основанных на синхронной цифровой иерархии” (06/1997) и базируется на основных положениях рекомендаций G.707 “Интерфейсы сетевых узлов для SDH” (06/1996), G.783 “Характеристики функциональных блоков оборудования SDH” (06/1997) и G.841 “Типы и характеристики архитектур защиты сетей SDH” (07/1995).

Моделью определяются возможности каждого уровня сети. Для понимания этих возможностей необходимо рассмотреть процедуры мультиплексирования и передачи данных в структурах SDH.

Что представляет собой SDH?

По определению ITU-T, SDH - это иерархия цифровых транспортных структур, стандартизированных для транспортировки соответственно адаптированной полезной нагрузки к физическим сетям передачи.

Иерархия SDH представлена в таблице 2.1 синхронными транспортными модулями STM-N (synchronous transport modul, N=0, 1, 4, 16, 64, 256).

Табл. 2.1 Иерархия синхронных транспортных модулей

Базовым уровнем принято считать (по определению ITU-T) STM-1, так как скоростные режимы передачи последующих STM-N получены простым умножением на 4, 16, 64, 256. Уровень STM-0, принятый за базовый ANSI для Северной Америки, составляет третью часть STM-1.

SDH позволяет при любой текущей скорости передачи данных, прежде всего плезиохронных (исключая 8,448 Мбит/с), преобразовывать их в данные виртуальных контейнеров, которые, в свою очередь, можно объединять в стандартные форматы (структуры), чтобы формировать STM-N.

Различные контейнеры можно смешивать, что позволяет переносить различные скорости одновременно внутри одной структуры. Рекомендациями ITU-T определена общая схема мультиплексирования SDH (рис. 2.2), в которой приняты следующие обозначения:

С-n, n=11,12,2,3,4 - контейнер, блок данных, предназначенный для транспортировки через сеть в составе STM-N сигналов со скоростями от 1,5 Мбит/с до 140 Мбит/с.Число n указывает на исходную нагрузку. В европейских стандартах принято переносить данные 2 Мбит/с, 34 Мбит/с, 140 Мбит/с.

Чаще всего применяется контейнер С-12, в который асинхронно распределяются данные по скорости 2048 кбит/с. При этом выполняются операции согласования скоростей контейнера и поступающих данных.

VC-n, n=11, 12, 2, 3, 4 - виртуальный контейнер, это контейнер с определенным маршрутом передачи через сеть. VC-n - это контейнер плюс заголовок маршрута POH (Path Over Head).

Рис. 2.2. Общая схема мультиплексирования SDH

Виртуальные контейнеры нижнего порядка (VC-n, n=1,2) составляются из базовых контейнеров C-n, n=1,2.

Виртуальные контейнеры высокого порядка VC-n (n=3,4) составляются либо из базовых контейнеров (C-n, n=3,4), либо из набора групп блоков, образованных из транспортных блоков TUG (Tributary Unit Groups) вместе с POH. Заголовок тракта верхнего порядка включает также как и заголовок тракта нижнего порядка, информацию о качестве маршрута виртуального контейнера, сигналы служебного назначения и индикацию тревожных состояний.

РОН верхнего порядка включает информацию о составе VC-n нижнего порядка.

TU-n, n=1,2,3 - транспортный блок, включает виртуальный контейнер и указатель (PTR). Он предназначен для адаптации между уровнями маршрута нижнего и верхнего порядков. Значение указателя указывает фазу выравнивания виртуального контейнера по отношению к указателю TU-n. Расположение этого указателя фиксируется по отношению к этому виртуальному контейнеру высокого уровня.

На рис. 2.3 представлены блоки C-n, VC-n, TU-n на примере C-12, VC-12, TU-12.

Рис. 2.3. Блоки данных C-12, VC-12, TU-12

TUG-n, n=2 или 3 - группа транспортных блоков, формируемая группой идентичных блоков с виртуальными контейнерами, позволяет конструировать нагрузки со смешанной пропускной способностью.

Формирование этих структур показано на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Мультиплексирование TU-12 (TUG-2/TUG-3)

волоконный оптический линия кабель

Распределение TU-12 в TUG-2 и TUG-2 в TUG-3 это фиксированное распределение. Включение TUG-3 предназначено для того, чтобы предоставить структуру для скорости передачи 34,368 Мбит/с или 44,736 Мбит/с. Индикатор нулевого указателя NPI (Null Pointer Indicator) состоит из первых трех байтов первого столбца и вводится для того, чтобы дать возможность различать группы TUG-3, содержащие несколько групп TUG-2, и группы TUG-3, содержащие TU-3. Временной интервал формирования каждого блока - 125 мкс.

Распределение TUG-3 в VC-4 является фиксированным, как показано на рисунке 2.5. Первый столбец VC-4 содержит девять байт трактового заголовка РОН, которые обеспечивают контроль ошибок, маркировку сигнала, информацию о состоянии маршрута и информацию о структуре мультиплексирования VC-4. Второй и третий столбцы - фиксированный заполнитель.

AU-n, n=3 или 4 - административный блок, состоит из виртуального контейнера VC-n (n=3,4) плюс указатель административного блока и обеспечивает адаптацию между маршрутами высокого порядка и уровнем секции мультиплексирования. Значение указателя отмечает фазу выравнивания виртуального контейнера VC-n по отношению к циклу STM-1 (STM-N). Значение указателя фиксируется внутри STM-1.

Рисунок 2.5 Распределение TUG-3 в VC-4

На рис. 2.6 показано распределение VC-4 в STM-1 через AU-4/AUG.

Рис. 2.6 Распределение VC-4 в STM-1 через AU-4/AUG

Адресуемое пространство указателя AU-4 PTR составляет 0-782 триады байтов. AU-4 помещается прямо в AUG, который вместе с секционными заголовками SOH (Section Over Head) формирует STM-1 и STM-N.

Таким образом, рассмотрена структура мультиплексирования SDH. В этой структуре чаще всего применяется путь объединения данных, изображенный на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Мультиплексирование данных 2.048 Мбит/с в STM-N

На рис. 2.8, 2.9 представлены заголовки РОН VC-12 и VC-3/4 с указанием назначения всех битов в каждом байте.

Структура цикла STM-N, если N=4,16,64,256, содержит группы административных блоков AUG, например, сигнал STM-4 содержит четыре группы AUG и информацию заголовка секции. Четыре AUG мультиплексируются через байт (побайтно) и имеют фиксированное фазовое соотношение с STM-4.

Пример мультиплексирования цикла STM-4 показан на рис. 2.13.

Структура SOH STM-4 показана на рисунке 2.14.

В этот заголовок секций входят данные по синхронизации регенераточной секции (А1, А2), сохраняемые для каждого STM-1 внутри STM-N, входят данные служебного обмена на секции STM-4, данные контроля ошибок на секции мультиплексирования STM-4 с сохранением данных секций STM-1, метка качества тактового синхросигнала и служебный обмен на секции STM-4. В поле административных указателей сохраняются значения указателей AU-4.

Аналогично STM-4 строится любая структура STM-N, N=16,64,256.

Рис. 2.8. Структура трактового заголовка POH VC-12, представленного
байтами V5, J2, N2, K4.

Рис. 2.8. Структура трактового заголовка POH VC-12

Рис. 2.9. Структура трактового заголовка POH VC3/VC4

На рис. 2.10, 2.11 представлены указатели PTR транспортных TU-12, TU-2, TU-11 и административных AU-3, AU-4 (и TU-3) блоков с указанием назначения битов в байтах.

На рис. 2.12 отмечено назначение всех байтов и битов секционных заголовков STM-1 (RSOH и MSOH).

Рис. 2.10. Структуры указателей TU2, TU12, TU11

N - биты флага новых данных (1001 или 0110)

S - биты индикации (10 AU4/AU3, TU3)

I - возрастание величины указателя (PTR)

D - уменьшение величины указателя (PTR)

Адресуемое пространство указателя AU3, AU4 0-782 TU3 0-764

Индикатор сцепления нагрузки, переносимой TU3, 1001SS1111111111 AU3, AU4

Рис. 2.11. Структуры указателей AU-n / TU

N - биты флага новых данных (1001 или 0110)

S - бит спецификации (00-TU2, 10-TU12, 11-TU11)

I - возрастание величины указателя (PTR)

D - уменьшение величины указателя (PTR)

Адресуемое пространство указателя TU2 0-427

TU12 0-139

TU11 0-103

Рис. 2.12 Структура секционных заголовков в STM-1

Каждый прямоугольник структуры заголовка представляет собой один байт служебного назначения. Скорость передачи каждого байта 64 кбит/с.

A1, A2 - два типа байтов синхронизации STM-1:

A1: 11110110; A2: 00101000;

I0 - маршрут регенерационной секции или номер STM-1 в STM-N;

B1 - контроль ошибок по алгоритму паритета битов BIP-8 на регенерационной секции;

E1, E2 - речевой канал служебной связи;

F1 - канал передачи данных обслуживания регенерационной секции;

D1-D12 - каналы передачи данных сети управления транспортировкой (D1…D3 192 кбит/с на RSOH, D4…D12 576 кбит/с на MSOH);

B2 - контроль ошибок по алгоритму паритета битов BIP-24 на секции мультиплексирования;

K1, K2 - автоматическое переключение на резервную секцию мультиплексирования;

S1 - статус синхронизма, переносимого битами STM-1 (синхронизм от первичного, вторичного или других источников);

M1 - индикация ошибок секции мультиплексирования от удаленной стороны;

байты, определяемые физической средой (для радиолиний и медных кабелей);

- байты национального использования;

- не скремблируемые байты первой строки SOH.

Рис. 2.13. Мультиплексирование STM-4

Рис. 2.14. Заголовок SOH STM-4

Рассмотренная схема мультиплексирования SDH полностью отражает модель транспортной сети SDH. При этом необходимо дополнить содержимое физического уровня сведениями о физической среде и передаче в ней. В качестве основной среды передачи STM-N признана среда с одномодовым оптическим кабелем.

Вид линейного сигнала это скремблированный без возвращения к нулю на тактовом интервале (скремблированный - NRZ) - первый всемирный стандарт на передачу сигналов в оптических линиях. Альтернативной средой передачи STM-1 может служить радиорелейная линия или линия с медным коаксиальным кабелем.

На короткие расстояния возможна передача атмосферными оптическими сигналами (менее 1 км). На уровне физическом транспортной сети SDH возможна организация защиты секции мультиплексирования. Для этого в составе MSOH предусмотрены байты управления К1, К2. Разумеется, что для организации защиты требуется другая альтернативная секция мультиплексирования, которая строится параллельно основной рабочей, но с некоторым географическим разнесением.

В завершении краткой характеристики модели транспортной сети SDH необходимо отметить, что сеть SDH, получая информационные данные в виде известных скоростных режимов, формирует из них блоки данных, то есть преобразует последовательную битовую передачу в транспортные блоки. Эти транспортные блоки в виде циклов STM-N также побитно передаются с высокими скоростями в физической среде, однако при этом имеют эффективную защиту от ошибок передачи.

3. Технологические решения по контролю качества трактов и секций SDH

Важнейшей, глубоко проработанной частью технологии SDH являются решения по контролю качества всех участков транспортной сети(3.1) секции регенерации RS, секции мультиплексирования MS, тракта высокого

HP(или HOVC) и низкого LP(или LOVC) порядков, процедур указателей (AU, TU), идентификации маршрутов (J0, J1, J2).

На рис. 3.1 использованы обозначения:

- PLM, Payload Mismatch -- несоответствие полезной нагрузки;

-TIM, Trace Identifier Mismatch -- несоответствие идентификатора маршрута;

- LOS, Loss of Signal -- потеря сигнала (фиксируется со стороны линии в интервале времени 2,3 < T <100 мкс);

- LOF, Loss of Frame -- потеря цикла передачи (фиксируется в интервале времени до 3 мс);

-LOM, Loss of Multiframe - потеря сверхцикла передачи VC-12, размещаемом в тракте верхнего порядка, для виртуально сцепленных VC-3/4, для виртуально сцепленных VC-12;

- LOP, Loss of Pointer -- потеря указателя для AU-n, TU-m;

- AIS, Alarm Indication of Signal (MS-n, AU-n, TU-m) -индикация аварийного состояния секции мультиплексирования, административного блока, транспортного блока;

- UNEQ (Unequipped, не оборудован), виртуальный контейнер не оборудован для трактов низкого (LP) и высокого (HP) порядка (смотреть табл. 3.3 и 3.5).

Рис. 3.1. Технологические функции контроля качества в транспортной сети SDH

4. Расчет линейного тракта цифровой системы передачи

4.1 Выбор типа оптического кабеля и определение длин участков регенерации

4.1.1 Выбор типа оптического кабеля

В настоящее время на железнодорожном транспорте применяется ВОЛС железнодорожной связи с прокладкой кабелей в пластмассовых трубопроводах, а также с подвеской ОК на опорах контактной сети и высоковольтных линиях автоблокировки. Для этого используют марки ОК, например, кабель марки ОКМС фирмы «Трансволк».

ОКМС - кабель магистральный, самонесущий кабель для подвески на опорах контактной сети и линий АБ железных дорог, на опорах линий электропередач до 110 кВ и воздушных линий связи и эксплуатации при температуре от -60 до +70 С.

Кабель марки ОКМС полностью выполнен из диэлектрических материалов и имеет внутреннюю и внешнюю оболочку из полиэтилена, защитные покровы выполнены из арамидных нитей. В сердечнике кабеля расположены 6 или 8 оптических модулей (ОМ). Внешний и внутренний диаметр модулей составляет соответственно 2/1,3 мм, 2,4/1,6 мм, 3/1,9 мм. В каждом ОМ располагается от 2 до 12 одномодовых оптических волокон. Таким образом, в кабеле может быть уложено до 96 волокон.

В выпускной работе следует предусмотреть 6 ОВ для оперативно-технологической связи и 4 ОВ - в качестве резервных.

Тип волокна определяется стандартом:

- G 652 - Стандарт для «одномодового» волокна, имеющего нулевую дисперсию на 1,31 мкм и допустимого для работы на 1,55 мкм;

- G 653 Стандарт для «одномодового» волокна со смещенной дисперсией, имеющего нулевую дисперсию на 1,55 мкм и допустимую на 1,31 мкм

- G 654 Стандарт для «одномодового» волокна, оптимизированного по затуханию для работы на 1,55 мкм и имеющего нулевую дисперсию на 1,31 мкм;

- G 655 Стандарт для «одномодового» волокна со смещенной дисперсией, имеющего малую нулевую дисперсию на 1,55 мкм и допустимого для работы на 1,31 мкм.

ОКМС-А-8 (2,4) Сп-20 (2)/12 (5) Кабель оптический ОКМС-А-4/2(2,4)Сп-16(2) "8 кН "

Рис.4.1

Магистральный самонесущий диэлектрический для подвески на опорах контактной сети и линий автоблокировки железных дорог, на опорах линий электропередачи (ЛЭП) до 500 кВ, воздушных линиях связи и эксплуатации при температуре окружающей среды от минус 60°С до плюс 70°С;

Технические характеристики

* - для одномодового стандартного оптического волокна по рекомендации ITU-T G.652