Проектирование внутризоновой ВОЛС (волоконно-оптической линии связи)на участке Чита-Могзон (Забайкальский край)

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное учреждение высшего профессионального образования

«Забайкальский государственный университет»

Курсовой проект

по дисциплине: «Оптические и направляющие среды»

Тема: «Проектирование внутризоновой ВОЛС на участке Чита-Могзон (Забайкальский край, РФ)»

Выполнил:

Курмазов А.В.

Руководитель

Свешников И.В.

Чита - 2013

Введение

Современный этап общественного развития неразрывно связан с движением по пути построения глобального информационного общества. Если еще совсем недавно основной массовой услугой, предоставляемой широкому кругу абонентов сети передачу данных, был доступ к ресурсам глобальной сети Интернет, то в настоящее время эта популярная услуга часто дополняется услугами звукового и телевизионного вещания, IР-телефонии, высокоскоростного обмена данными между пользователями и рядом других.

Мир телекоммуникаций и передачи данных сталкивается с динамично растущим спросом на частотные ресурсы. Эта тенденция в основном связана с увеличением числа пользователей Internet и также с растущим взаимодействием международных операторов и увеличением объемов передаваемой информации. Полоса пропускания в расчете на одного пользователя стремительно увеличивается. Поэтому поставщики средств связи при построении современных информационных сетей используют волоконно-оптические кабельные системы наиболее часто. Это касается как построения протяженных телекоммуникационных магистралей, так и локальных вычислительных сетей. Оптическое волокно (ОВ) в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. Сегодня волоконная оптика находит применение практически во всех задачах, связанных с передачей информации. Благодаря появлению современных волоконно-оптических кабелей оказались возможными высокие скорости передачи в линейных трактах (ЛТ) цифровых систем передачи с одновременным удлинением секций регенерации до 100 км и более. Производительность таких ЛТ превышает производительность цифровых трактов на кабелях с металлическими парами в 100 и более раз, что радикально увеличивает их экономическую эффективность.

Следуя основному закону о связи РФ (Федеральный закон о связи), можно сделать вывод, что основной целью перспектив развития страны является обеспечение доступа к связи и информации граждан РФ. Поэтому в настоящее время приоритетная задача: построение единой сети связи в стране.

Как житель Забайкальского края, я заинтересован в развитии своего края, и главным для меня является разработка проектов ВОЛС в крае.

Целью курсовой работы является проектирование ВОЛС между двумя населенными пунктами Забайкальского края - г. Чита и пгт. Могзон.

Курсовой проект включает в себя следующие задачи:

*обосновать необходимость строительства волоконно-оптической линии связи;

*выбрать трассу прокладки оптического кабеля;

*выбрать систему передачи;

* тип оптического кабеля, по которому она будет работать;

*рассчитать параметры оптического кабеля;

*рассмотреть вопросы строительства волоконно-оптической линии связи;

*привести рекомендации по технике безопасности

Данный курсовой проект состоит из двух частей: Теория построения волоконно-оптических систем, а также проектирование ВОЛС на участке г. Чита-пгт. Могзон.

1. Основы построения волоконно-оптических систем передачи

1.1 Общие принципы построения волоконно-оптических систем передачи

Основным направлением развития телекоммуникационных систем является широкое применение волоконно-оптических систем передачи. Волоконно-оптические системы передачи (ВОСП) ?это совокупность оптических устройств и оптических линий передачи, обеспечивающая формирование, обработку и передачу оптических сигналов. Физической средой распространения оптических сигналов являются волоконно-оптические или, просто, оптические кабели и создаваемые на их основе волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). Совокупность ВОСП и ВОЛС образует волоконно-оптическую линию передачи (ВОЛП).

Без широкого использования ВОЛС невозможно развитие телекоммуникационных технологий в области телефонной и телеграфной связи, кабельного телевидения и факсимильной связи, передачи данных, создания единой цифровой сети с интеграцией служб СЦИО (Integrated Services Digital Network ?ISDN). А также внедрения на телекоммуникационных сетях технологии асинхронного способа передачи (Asynchronous Transfer Mode ?ATM) и построения транспортных сетей на основе синхронной цифровой иерархии ?СЦИ (Synchronous Digital Hierarchy ?SDH). Область применения ВОСП не ограничивается передачей любых видов сообщений практически на любые расстояния с наивысшими скоростями, а имеет более широкий спектр, от бортовых систем (самолетов, кораблей и др.) до локальных и глобальных волоконно-оптических телекоммуникационных сетей.

В ВОСП передача сообщений осуществляется посредством световых волн от 0,1 мкм до 1мм. Диапазоны длин волн (или частот), в пределах которых обеспечиваются наилучшие условия распространения световых волн по оптическому волокну, называются его окнами прозрачности.

В настоящее время для построения ВОСП используются длины волн
от 0,8 мкм до 1,65 мкм (в дальнейшем предполагается освоение и более длинных волн ? 2,4 и 2,6 мкм), называемые инфракрасным излучением (просто светом) или оптическим излучением (ОМ).

Для увеличения дальности передачи за счет наилучшего распространения световой волны были исследованы различные оптические волноводы, называемые оптическими волокнами (ОВ) или световодами, под которыми понимаются направляющие каналы для передачи оптического излучения, состоящие из сердцевины, окруженной оболочкой (оболочками). ОВ в сочетании с оптоэлектронными технологиями (генерация оптического излучения, его усиление, прием, обработка оптических сигналов и др.) дали развитие современному направлению техники, носящему название волоконной оптики ? раздела оптики, рассматривающего передачу излучения по волоконным световодам ? оптическим волокнам.

Ниже перечисленные достоинства ВОЛС обеспечили их быстрое и широкое применение:

Возможность получения ОВ с параметрами, обеспечивающими расстояние между ретрансляторами не менее 100…150км.

Производство оптических кабелей (ОК) с малыми габаритными размерами и массой при высокой информационной пропускной способности.

Постоянное и непрерывное снижение стоимости производства оптических кабелей и совершенствование технологии их производства.

Высокая защищенность от внешних электромагнитных воздействий и переходных помех.

Высокая скрытность связи (утечка информации): ответвление сигнала возможно только при непосредственном подсоединении к отдельному волокну.

Гибкость в реализации требуемой полосы пропускания: ОВ различных типов позволяют заменить электрические кабели в цифровых системах передачи всех уровней иерархии.

Возможность постоянного совершенствования ВОСП по мере появления новых источников оптического излучения, оптических волокон, фотоприемников и усилителей оптического излучения с улучшенными характеристиками или при повышении требований к их характеристикам при полном сохранении совместимости с другими системами передачи.

Соответствующим образом спроектированные ВОЛС относительно невосприимчивы к неблагоприятным температурным условиям и влажности и могут быть использованы для подводных кабелей.

Надежная техника безопасности (безвредность во взрывоопасных средах, отсутствие искрения и короткого замыкания), возможность обеспечения полной электрической изоляции.

В настоящее время на многих ВОЛС общего пользования используются скорости передачи до 622 Мбит/с, но все большее применение получают ВОСП на скорости передачи 2,5 Гбит/с и выше. По таким ВОЛС можно организовать от 7680 до 100 000 каналов тональной частоты (КТЧ) или основных цифровых каналов (ОЦК) с пропускной способностью 64кбит/с. В настоящее время разработаны ВОСП на скорости до 40 Гбит/с.

Эти возможности не являются предельными: спектральное уплотнение (СУ) и когерентный прием позволят на несколько порядков увеличить суммарную скорость передачи информации по ВОЛС. Если обратиться к третьему окну прозрачности ОВ шириной 140 мкм на длине волны 1,55 мкм, то в нем можно разместить до 630 спектральных каналов (СК) при разносе частот между ними 24 ГГц и скорости передачи 2,4 Гбит/с в каждом. Это соответствует примерно суммарной скорости 1,5 Тбит/с или 23 млн. КТЧ или ОЦК.

Для описания параметров оптических кабелей и компонент ВОСП используется как частота, так и длина волны оптического излучения. Поэтому полезно знать соотношения между этими переменными, что особенно важно при описании полос пропускания в терминах отклонений длины волны или частоты.

Связь между длиной волны и частотой оптического сигнала определяются соотношением:

,

где - длина волны оптического излучения в среде распространения; ?- частота сигнала; с ?- скорость света в среде распространения.

Скорость света при распространении его через оптически прозрачный материал, в свою очередь, связана с его показателем преломления, следующим образом:

,

здесь - ?скорость света, равная 300000000м/с; n -? показатель преломления среды распространения оптического сигнала.

Очевидно, что длина волны оптического сигнала изменяется с изменением показателя преломления среды

,

где называется длиной волны в свободном пространстве, т. е. длиной волны, которая будет измерена в вакууме.

Очень часто особое значение приобретает разница между длинами волн или разница частот . Важно знать, как можно преобразовать эти две переменные, как они между собой связаны:

,

или:

.

Эти уравнения весьма полезны, так как часто возникает необходимость преобразования данных параметров из одних единиц измерения в другие.

Обобщенная структурная схема волоконно-оптической системы передачи:

В состав волоконно-оптической системы передачи (ВОСП) входят следующие технические средства:

Каналообразующее оборудование (КОО) тракта передачи, обеспечивающее формирование определенного числа типовых каналов или типовых групповых трактов со стандартной шириной полосы пропускания или скоростью передачи.

Оборудование сопряжения (ОС) тракта, необходимое для сопряжения параметров многоканального сигнала на выходе КОО с параметрами оптического передатчика.

Оптический передатчик (ОПер), обеспечивающий преобразование электрического сигнала в оптический сигнал, длина волны которого совпадает с одним из окон прозрачности оптического волокна; в состав ОПер входят: источник оптического излучения (ИОИ) ? оптической несущей, один или несколько параметров, которой модулируются электрическим многоканальным сигналом, поступающим с ОС. И согласующее устройство (СУ), необходимое для ввода оптического излучения в волокно оптического кабеля с минимально возможными потерями; как правило, источник оптического излучения и согласующее устройство образуют единый блок, называемый передающим оптическим модулем (ПОМ).

Оптический кабель, волокна которого служат средой распространения оптического излучения.

Оптический ретранслятор (ОР), обеспечивающий компенсацию затухания сигнала при его прохождении по оптическому волокну (ОВ) и коррекцию различного вида искажений; (ОР) могут быть обслуживаемыми или необслуживаемыми и устанавливаются через определенные расстояния, называемые ретрансляционными участками; в ОР может производиться обработка (усиление, коррекция, регенерация и т. д.) как электрического сигнала, который получается путем преобразования оптического сигнала и последующего преобразования скорректированного электрического сигнала в оптический, так и оптического сигнала с помощью оптических квантовых усилителей.

Оптический приемник (ОПр), обеспечивающий прием оптического излучения и преобразования его в электрический сигнал; ОПр включает в себя согласующее устройство (СУ), необходимое для вывода оптического излучения из ОВ с минимальными потерями, и приемник оптического излучения (ПОИ); совокупность согласующего устройства и приемника оптического излучения представляет приемный оптический модуль (ПРОМ).

Оборудование сопряжения (ОС) тракта приема, преобразующее сигнал на выходе ПРОМ в многоканальный сигнал соответствующего КОО.

Каналообразующее оборудование (КОО) тракта приема, осуществляющее обратные преобразования многоканального сигнала в сигналы отдельных типовых каналов и трактов.

Обобщенная структурная схема ВОСП приведена на рис.1.



Рисунок 1 - Обобщенная структурная схема волоконно-оптической системы передачи: а ?- тракт передачи; б ?- тракт приема

Для модуляции оптической несущей многоканальным электрическим сигналом можно использовать частотную (ЧМ), фазовую (ФМ), амплитудную (AM), поляризационную (ПМ) модуляции, модуляцию по интенсивности (МИ) и др.

При фиксированных пространственных координатах мгновенное значение электрического поля монохроматического оптического излучения можно записать в виде

,

где - ?амплитуда поля; и -? соответственно частота и фаза оптической несущей. Тогда мгновенное значение интенсивности оптического излучения

,

а усредненное значение по периоду:

.

Величина называется средней интенсивностью или мощностью оптического излучения.

При модуляции интенсивности (МИ) именно величина изменяется в соответствии с модулирующим многоканальным сигналом.

Обладая волновой природой, оптическое излучение в то же время является дискретным. Оно излучается и поглощается только в виде дискретных квантов ? фотонов с энергией , где ?- постоянная Планка. Поэтому мощность оптического излучения можно характеризовать интенсивностью потока фотонов (числом в единицу времени):

,

которая и модулируется многоканальным сигналом.

Отметим, что МИ нашла самое широкое применение при построении волоконно-оптических систем передачи, так как приводит к относительно простым техническим решениям при реализации устройств управления (модуляции) интенсивностью излучения полупроводниковых источников и обратного преобразования оптического сигнала в электрический, т. е. демодуляции.

Классификация волоконно-оптических систем передачи.

Существует разнообразная классификация ВОСП, но в основном применяется следующая.

1. ВОСП в зависимости от применяемого каналообразующего оборудования делятся на:

аналоговые волоконно-оптические системы передачи (АВОСП), если каналообразующее оборудование строится на основе аналоговых методов модуляции параметров гармонической несущей частоты (амплитудная, частотная, фазовая модуляции и их комбинации) или параметров периодической последовательности импульсов (амплитудно-импульсная, широтно-импульсная, фазоимпульсная модуляции и их комбинации);

цифровые волоконно-оптические системы передачи (ЦВОСП), если каналообразующее оборудование строится на основе импульсно-кодовой модуляции, дельта-модуляции и их разновидностей; самое широкое применение находят ЦВОСП.

2. ВОСП в зависимости от способа модуляции оптического излучения подразделяются на:

волоконно-оптические системы передачи с модуляцией интенсивности оптического излучения и соответствующей его демодуляции, называемые иногда прямой модуляцией и широко применяемой в большинстве ЦВОСП;

волоконно-оптические системы передачи с аналоговыми методами модуляции оптического излучения (оптической несущей): амплитудной, фазовой, частотной модуляциями и их комбинациями.

3. ВОСП в зависимости от способа приема или демодуляции оптического сигнала подразделяются на:

волоконно-оптические системы передачи с прямой демодуляцией или непосредственным приемом, при котором происходит непосредственное преобразование интенсивности оптического излучения в электрический сигнал, напряжение или ток которого однозначно отражают изменение интенсивности оптического сигнала;

когерентные волоконно-оптические системы передачи, в которых применяется гетеродинное или гомодинное преобразование частоты независимо от вида модуляции (синхронная или несинхронная) оптического излучения, осуществляемое на промежуточной частоте. При гетеродинном приеме одновременно с оптическим сигналом частоты на фотодетектор подается достаточно мощное оптическое излучение местного гетеродина с частотой , на выходе фотодетектора выделяется промежуточная частота:

,

на которой и осуществляются дальнейшие преобразования оптического сигнала в электрический. При гомодинном методе приема частоты колебаний принимаемого оптического излучения и местного гетеродина должны быть одинаковыми (), а фазы синхронизированы.

4. ВОСП в зависимости от способа организации двусторонней связи ВОСП подразделяются на:

двухволоконную однополосную однокабельную, при которой передача и прием оптических сигналов ведутся по двум оптическим волокнам (ОВ) и осуществляются на одной длине волны ;

одноволоконную однополосную однокабельную, особенностью которой является использование одного оптического волокна для передачи сигналов в двух направлениях на одной и той же длине волны;

одноволоконную двухполосную однокабельную, при которой передача в одном направлении ведется на длине волны оптического излучения , а в другом ?.

5. По назначению и дальности передачи ВОСП подразделяются на:

магистральные ВОСП, предназначенные для передачи сообщений на тысячи километров и соединяющих между собой центры республик, краев, областей, крупные промышленные и научные центры и др.;

зоновые ВОСП, предназначенные для организации связи в административных пределах республик, краев, областей и протяженностью до 600км;

ВОСП для местных сетей, предназначенные для организации межстанционных соединительных линий на городских и сельских телефонных сетях;

ВОСП для распределения информации, обеспечивающие связь между вычислительными машинами, организацию локальных компьютерных сетей и сетей кабельного телевидения.

6. По методам уплотнения оптического волокна, в основе которых лежит процесс мультиплексирования ВОСП подразделяются на:

ВОСП со спектральным уплотнением или мультиплексированием с разделением длин волн, при котором по одному ОВ одновременно передается несколько спектрально разнесенных оптических несущих, каждая из которых модулируется многоканальным сигналом, сформированным соответствующим каналообразующим оборудованием;

ВОСП с частотным или гетеродинным уплотнением, при котором в системах передачи исходным многоканальным сигналам различных источников в линейных трактах отводятся определенные полосы частот;

цифровые ВОСП с временным уплотнением (с временным мультиплексированием), при котором несколько информационных или компонентных потоков объединяются в один, и для передачи каждого компонентного потока по одному ОВ отводится свой временной интервал.

1.2 Технологии построения оптических сетей

Развитие технологий скоростных телекоммуникаций на основе PDH привело к появлению в последнее время двух наиболее значительных новых цифровых технологий: синхронной оптической сети SONET (СОС), и синхронной цифровой иерархии SDH (СЦИ), иногда рассматриваемых как единая технология SONET/SDH, расширившая диапазон используемых скоростей передачи до 40 Гбит/c. Эти технологии были ориентированы на использование волоконно-оптических кабелей (ВОК) в качестве среды передачи.

Технологии локальных сетей, ориентированных на передачу данных, а не голоса, развивались не по линии уплотнения каналов, а по линии увеличения полосы пропускания каналов, передачи данных, необходимой для передачи не только текстовых, но и графических данных, а сейчас и данных мультимедиа. В результате используемые на начальном этапе развития сетевые технологии ARCnet, Ethernet и Token Ring, реализующие скорости передачи 2-16 Мбит/с в полудуплексном режиме и 4-32 Мбит/с в дуплексном режиме, уступили место новым скоростным технологиям: FDDI, Fast Ethernet и 100VG-Any LAN, использующих скорость передачи данных 100 Мбит/с и ориентированных в большей части своей также на применение ВОК. Апофеозом этого развития стала новая технология Gigabit Ethernet, использующая скорость передачи 1 Гбит/с.

Создание компьютерных сетей масштаба предприятия, а также корпоративных, региональных и глобальных сетей передачи данных, связывающих множество ЛВС, в свою очередь привело к созданию таких транспортных технологий передачи данных, как: Х.25, ISDN (цифровая сеть интегрированного обслуживания ЦСИО, или цифровая сеть с интеграцией служб ЦСИС) и Frame Relay (технология ретрансляции кадров), решавших эти задачи первоначально на скоростях 64 кбит/с, 144 кбит/с (узкополосная ISDN) и 1,5/2 Мбит/с соответственно.

Дальнейшее развитие этих технологий также шло по линии увеличения скоростей передачи и привело к трем важным результатам:

- постепенному отмиранию (в плане бесперспективности развития) существующей еще технологии X.25;

- увеличению скорости передачи данных, реализуемых технологией Frame Relay до скорости T3 (45 Мбит/с);

- появлению в недрах технологии ISDN (а именно широкополосной B-ISDN) новой технологии ATM (режима асинхронной передачи), которая принципиально может применяться на различных скоростях передачи (от 1.5 Мбит/c до 40 Гбит/с). Причем она самостоятельно может использоваться как технология магистральной передачи трафика (не требуя промежуточной технологии переносчика) или может передавать свои трафик с использованием промежуточной технологии переносчика (например, PDH, SONET/SDH или WDM) благодаря использованию техники инкапсуляции ячеек в фреймы, виртуальные трибы или виртуальные контейнеры.

Из описанных технологий в литературе наибольшее внимание до недавнего времени уделялось только технологии ATM, хотя она и не была широко распространена в России (по сведениям автора и до сих пор существуют только изолированно функционирующие коммерческие сети ATM или экспериментальные корпоративные сети, на которых эта технология отрабатывается). В отличие ATM в России развернуты и полномасштабно функционируют практически в каждом регионе, начиная с 1993 года, десятки крупных сетей SDH. Технология SDH активно осваивается регионами. На её основе происходит крупномасштабное переоборудование старой аналоговой сети связи и относительно новой сети связи PDH России в цифровую Взаимоувязанную сеть связи (ВСС), использующие самые передовые технологии.

Использование SDH позволило резко повысить скорость передачи на сети РФ в целом, доведя ее сегодня ив отдельных участках до 2,5 Гбит/с, а также потенциально подготовив сеть к внедрению технологии WDM. Учитывая факт внедрения систем SDH уровня STM-64 (10 Гбит/с) отдельными западными компаниями, а также то, что WDM позволит многократно (от 2 до 160 раз) увеличить общую скорость передачи по одному волокну. Не говоря о том, что далее она может быть также многократно (от 2 до 144 раз) увеличена за счет использования многоволоконного оптического кабеля, мы подучим впечатляющие перспективы максимально возможного в будущем более чем 92000-кратного увеличения пропускной способности наших кабелей, которое, в принципе доступно прямо сейчас.

1.3 Топологии построения ВОСП

Топология «точка-точка».

Сегмент сети, связывающий два узла А и В, или топология «точка-точка», является наиболее простым примером базовой топологии SDH сети (рис. 2). Она может быть реализована с помощью терминальных мультиплексоров ТМ, как по схеме без резервирования канала приема/передачи, так и по схеме со стопроцентным резервированием типа 1+1, использующей основной и резервный электрические или оптические агрегатные выходы (каналы приема/передачи). При выходе из строя основного канала сеть в считанные десятки миллисекунд автоматически переходит на резервный.

Несмотря на свою простоту, именно эта базовая топология наиболее широко используется при передаче больших потоков данных по высокоскоростным магистральным каналам, например, по трансокеанским подводным кабелям, обслуживающим цифровой телефонный трафик. Эту же топологию используют для отладки сети при переходе к новой более высокой скорости в иерархии SDH, например, с 622 Мбит/с (STM-4) на 2,5 Гбит/с (STM-16) или с 2,5 (STM-16) на 10 Гбит/с (STM-64). Она же используется как составная часть радиально-кольцевой топологии (используется в качестве радиусов) и является основой для топологии «последовательная линейная цепь». С другой стороны, топологию «точка-точка» с резервированием можно рассматривать как вырожденный вариант топологии «кольцо».

Рис. 2 - Топология «точка-точка», реализованная с использованием ТМ

Топология «последовательная линейная цепь».

Эта базовая топология используется тогда, когда интенсивность трафика в сети не так велика и существует необходимость ответвлений в ряде точек на линии, где могут вводиться и выводиться каналы доступа. Она реализуется с использованием как терминальных мультиплексоров на обоих концах цепи, так и мультиплексоров ввода/вывода в точках ответвлений. Эта топология напоминает последовательную линейную цепь, где каждый мультиплексор ввода/вывода является отдельным ее звеном. Она может быть представлена либо в виде простой последовательной линейной цепи без резервирования, либо более сложной цепью с резервированием типа 1+1, как на рис. 3. Последний вариант топологии часто называют уплощенным кольцом.

Рис. 3 - Топология «последовательная линейная цепь» типа «уплощенное кольцо» с защитой 1+1

Топология «звезда».

В этой топологии один из удаленных узлов сети, связанный с центром коммутации (например, цифровой АТС) или узлом сети SDH на центральном кольце, играет роль концентратора, или хаба, где часть трафика может быть выведена на терминалы пользователей, тогда как оставшаяся его часть может быть распределена по другим удаленным узлам (рис. 4). Ясно, что этот концентратор должен быть активным и интеллектуальным (в терминологии локальных сетей), т. е. быть мультиплексором ввода/вывода с развитыми возможностями кросс-коммутации. Иногда такую схему называют оптическим концентратором (хабом), если на его входы подаются частично заполненные потоки уровня STM-N (или потоки уровня на ступень ниже), а его выход соответствует STM-N. Фактически эта топология напоминает топологию «звезда», где в качестве центрального узла используется мультиплексор SDH.

Рис. 4 - Топология «звезда» с мультиплексором в качестве концентратора

Топология «кольцо».

Эта топология, см. рис. 5, широко используется для построения SDH сетей первых двух уровней SDH иерархии (155 и 622 Мбит/с). Основное преимущество этой топологии - легкость организации защиты типа 1+1, благодаря наличию в синхронных мультиплексорах SMUX двух пар (основной и резервной) оптических агрегатных выходов (каналов приема/передачи): восток - запад, дающих возможность формирования двойного кольца со встречными потоками показаны стрелками на рис. 5.

Рис. 5 - Топология «кольцо» с защитой 1+1 на уровне трибных блоков TU-n

Существуют два варианта построения кольцевой топологии: одно - и двунаправленное кольцо. В первом варианте каждый выходной поток направляется вокруг кольца по одной или двум линиям связи. В случае применения двух линий связи, информация передается сразу по обеим линиям, а используется наилучшая по качеству. Однонаправленное кольцо без резервирования применяется в основном в локальных сетях с ненапряженным трафиком. Для построения кольца используются один или два оптических кабеля связи или один - два радиорелейных ствола.

Если кольцо двунаправленное и имеет по одному волокну в каждом направлении, то в этом случае линии связи непосредственно не резервируют. При нормальной работе сети каждый входной поток направляется вдоль кольца по наикратчайшему пути в любом направлении. При возникновении отказа в сети устройства оперативной коммутации, имеющиеся на обоих концах участка, переключают весь поток информации, поступавший на этот участок, в обратном направлении. Реальные транспортные сети строятся с использованием рассмотренных выше топологий. Структура сети может быть изменена путем управления мультиплексорами. Изменение структуры сети называется реконфигурацией сети.

Процедура реконфигурации может быть централизованной и децентрализованной (распределенной). В первом случае необходим сетевой центр управления, который собирает информацию о состоянии сети, принимает решение о реконфигурации и рассылает соответствующие команды на перекроссировку всем узлам. Во втором случае при возникновении отказов на сети цифровые системы оперативного переключения, обмениваясь между собой сообщениями, определяют состояние сети, вырабатывают согласованное решение по реконфигурации сети и реализуют принятое решение.

Кольцевая топология позволяет сети самовосстанавливаться, т. е. быть защищенной от некоторых характерных типов отказов.

2. Выбор трассы для прокладки оптического кабеля

2.1 Обоснование необходимости строительства волоконно-оптической линии связи

Поселок городского типа Могзон является поселением Хилокского района, одного из основополагающих в крае. Но связь между Читинским и Хилокским районами не соответствует современным стандартам. Проектирование современной ВОЛС между г. Чита и пгт. Могзон поможет настроить информационный поток между двумя районами.

В настоящее время связь между Могзонским узлом телекоммуникаций и зоновой междугородней станцией г. Чита осуществляется по аналоговой системе передачи К-60.

С каждым годом многократно возрастает информационный объем, как между федеральными, так и областными структурами. Назрела необходимость создания таких видов связи как Интернет с большой скоростью обмена информацией и видеотелефонами.

Существует альтернативный проект ВОЛС компании «Транстелеком» по контактной сети железнодорожной магистрали. Но он используется только ОАО «РЖД».

Будем считать, что прокладка оптического кабеля на участке Чита-Улеты-Могзон, приоритетный проект, соединяющий инфокоммуникационную структуру трех районов.

2.2 Выбор трассы для прокладки ВОК

Выбор оптимального варианта трассы кабельной линии и его оценку следует осуществлять исходя из следующих условий:

минимальной длины трассы;

размещение трассы, как правило, в обход населенных пунктов;

наименьшего числа пересечений с автомобильными, железными дорогами, с подземными сооружениями и с водными преградами;

выполнения наименьшего объема работ по строительству линейно-кабельных сооружений;

возможности максимального применения при строительстве линии машин, механизмов и кабелеукладочной техники;

минимальных затрат по защите кабелей от ударов молниями, всех видов опасных мешающих электромагнитных влияний и коррозии;

обеспечение лучших условий эксплуатации линейных сооружений и надежной их работы.

Трассы магистральных и внутризоновых ОК проектируются, как правило, вдоль автомобильных дорог, а при их отсутствии - вдоль железных дорог и продуктопроводов.

Вариант Чита-Могзон, мимо п. Улеты, более рентабельный ввиду того, что расстояние 178 км. Пересекает 11 маленьких речушек и 2 автодороги дороги. Все эти речушки и переезды через дороги проходят под мостиками, так как по первому варианту приходится делать буровые работы через переезды дорог и бросать кабель через речушки.

Исходя из этих требований дешевле и удобнее проложить ОК вдоль новой автомобильной дороги, соединяющей Читу и Улеты, а далее Улеты- Могзон. Общая протяженность трассы равна 178 км. Водные преграды кабель связи будет преодолевать по действующим автомобильным мостам, т.е. подвешивается к опорам мостов. Для воздушной подвески используются оптические кабели, предназначенные для прокладки в земле, которые прикрепляются к имеющимся воздушным линиям связи тросом. При подвеске следует учитывать прочность оптических кабелей при растяжении, длину пролета, стрелу подвеса, механическую нагрузку (статическую и динамическую), колебания температуры, конструкцию опоры, способ натяжения оптического кабеля, конструкцию крепления к несущему тросу (если трос не встроен в кабель). Несущий трос (отдельный или встроенный в кабель) должен обеспечивать минимальный радиус изгиба оптического кабеля и ограничивать оказывающую на него нагрузку.

Выбор кабельной трассы г. Чита-пгт.Могзон основывается на всех вышеперечисленных требованиях, поэтому прокладку кабеля будем осуществлять вдоль автомобильной трассы федерального значения Чита-Улеты и далее Улеты-Могзон.

Структурно кабельная линия волоконно-оптической системы передачи состоит из оконечных пунктов (ОП), обслуживаемых и необслуживаемых регенерационных пунктов (ОРП и НРП) и соединяющих их участков кабеля, называемых регенерационными участками (РУ). В результате, проектируемая кабельная линия разбивается на 2 регенерационных участка:

1. АМТС Чита-п. Улеты, протяженностью 96 км.

2. П. Улеты-АМТС пгт. Могзон, протяженностью 82 км.

Норма расходов кабеля на 1 км трассы с учетом запаса на неровности местности, укладки кабеля в грунт, выкладки его по форме котлованов, колодцев и расхода на разделку концов кабеля при проведении измерений, испытаний и сращивания строительных длин для оптических кабелей составляет 1,02 км. Следовательно, расход кабеля на регенерационный участок 1 составляет 97,8 км, на регенерационный участок 2 - 83,8 км.

Выбранная трасса и разработанная структура проектируемой ВОЛП представлена на рис. 4.

- кабель

- автотрасса

Рис. 4

3. Выбор системы передачи и типа оптического кабеля

3.1 Расчет числа телефонных каналов

Число каналов, связывающих пгт. Могзон и г. Читу, зависит от численности населения в этих пунктах и от степени заинтересованности отдельных групп населения во взаимосвязи.

Численность населения в любом областном центре и в области в целом может быть определена на основании статистических данных последней переписи населения в 2013 году. Забайкальский край - 1390 тысяч человек, в том числе в г. Чите 330 тысяч человек, Хилокский район - 30698 тысяч человек, из них п. Могзон 1735 человек.

Обычно перепись населения осуществляется один раз в пять лет, поэтому при перспективном проектировании следует учесть прирост населения. Количество населения в его подчиненных окрестностях с учетом среднего прироста населения определяется по формуле:

, (3.1)

где: Но - народонаселение в период проведения переписи; Р - средний годовой прирост населения в данной местности, % (принимается по данным переписи 3%); t - период, определяемый как разность между назначенным годом перспективного проектирования и годом проведения переписи населения. Год перспективного проектирования принимаем на 5-10 лет вперед по сравнению с текущим временем.

В нашем курсовом проекте примем 10 лет вперед.

Так как Хилокский район входит в состав Забайкальского края и будет разговаривать со всей областью, то численность Забайкальского края возьмем равной:

1333 - 79,1 = 1253,9 тыс. человек

Таким образом, рассчитываем численность населения Забайкалья формуле:

.

Для Хилокского района:

.

Численность поселка Могзон:

.

Степень заинтересованности отдельных групп населения во взаимосвязи, зависит от политических, экономических, культурных и социально-бытовых отношений между группами населения, районами и областью. Взаимосвязь между заданными оконечными и промежуточными пунктами определяется на основании статистических данных, полученных предприятием связи за предшествующие проектированию годы. Практически эти взаимосвязи выражаются через коэффициент тяготения, который, как показывают исследования, колеблется в широких пределах (0,1 до 11%). В нашем дипломном проекте примем среднее значение.

Учитывая это, а также то обстоятельство, что телефонные каналы в междугородней имеют преобладающее значение, необходимо определить сначала количество телефонных каналов между заданными оконечными пунктами.

Для расчетов телефонных каналов используем формулу:

,

где постоянные коэффициенты соответствующие фиксированной доступности и заданным потерям, обычно потери задают 5%, тогда: б1 = 1,3 в1 = 5,6, f1 - коэффициенты тяготения, = 0,05 (5 %), y - удельная нагрузка, т.е. средняя нагрузка создаваемая одним абонентом, y = 0,06 эрл, ma, mb - количество абонентов, обслуживаемых оконечными станциями АМТС соответственно в г. Чита и пгт. Могзон.

В перспективе количество абонентов, обслуживаемых той или иной оконечной АМТС, определяется в зависимости от численности населения, проживаемого в зоне обслуживания. Принимая средний коэффициент оснащенности населения телефонными аппаратами равными 0,3 количество абонентов в зоне АМТС можно определить по формуле:

m = 0,3 * H0,

где: 0,3 - средний коэффициент оснащенности населения телефонными аппаратами.

Но - народонаселение в данном пункте

Тогда, для г. Чита:

m = 0,3 * 330000 = 99000 абонентов,

для п. Могзон:

m = 0,3 * 1633 = 490 абонентов,

Чита-Могзон:

Кроме телефонных каналов между заданными пунктами организуются каналы и других видов связи, а также и транзитные каналы. Общее число каналов N ab между двумя заданными пунктами определяется суммой:

N ab = N tp + N tg + N pw + N pd + N pg + N tr + N tv,

Где, N tp - число двухсторонних каналов для телефонной связи; N tg - то же для телеграфной связи; N pw - то же для проводного вещания; N pd - то же для передачи данных; N pg - то же для передачи газет; N tr - то же для передачи телевидения; N tv - транзитные каналы.

Поскольку число каналов для организации связи различного назначения может быть выражено через число телефонных каналов (например: 1 канал проводного вещания равен 3 телефонным каналам), целесообразно общее число каналов между заданными пунктами выразить через телефонные каналы:

N tg + N pw + N pd + N pg + N tr + N tp.

Тогда общее число каналов можно рассчитать по упрощенной формуле:

N ab * 2N tp + N tv.

В данном проекте телевизионные каналы не предусматриваются. Определяем общее число каналов между заданными пунктами:

Чита-Могзон:

N = 2 * 26 = 52 каналов.

Так как выделение числа каналов должно быть кратно 30, то полученные результаты округляем до 264. Тогда обще число каналов на заданном участке будет равно:

N = N Ч-М + N =264 + 52 = 306 каналов.

3.2 Выбор волоконно-оптической системы передачи

Принцип организации связи по ОК предусматривает передачу информации связи по одному световоду, а прием - по другому.

На основании выше перечисленных требований систему передачи. Это может быть, например, система передачи оборудование фирмы EZAN - NEC предназначено для работы на цифровых сетях различного назначения. В качестве каналообразующего оборудования (АЦО) применен мультиплексор ENE 6012. С его помощью можно организовать любое количество ОЦК (основных цифровых каналов) или каналов ТЧ (тональной частоты) от1 до 30, а также объединение - разделение их в групповой первичный поток со скоростью передачи 2048 кбит/с.

Для организации третичного цифрового потока в данной работе применен мультиплексор ENE 6055. Мультиплексор предназначен для объединения - разделения в групповой поток со скоростью 34368 кбит/с. (480 цифровых каналов):

- 16-ти цифровых потоков со скоростью передачи 2048 кбит/с. каждый;

- 8-ми цифровых потоков со скоростью передачи 2048 кбит/с и 2-х цифровых потоков со скоростью передачи 8448 кбит/с.

Первый режим работы мультиплексора удобен для организации связи в заданном оконечном пункте. В качестве устройства преобразующего электрический групповой сигнал в линейный оптический, применен оптический линейный терминал - OLT серии FD3250, преобразующий входной кодированный сигнал со скоростью передачи 34368 кбит/с в оптический кодированный сигнал со скоростью передачи 42664 кбит/с.

Для питания и размещения съемных комплексов аппаратуры каналообразования (ENE 6055), аппаратуры временного групообразования (УТУ6012), оптического терминала (FD3250) и другого оборудования, а так же для отображения состояния, включенного в них оборудования, предназначены стойки серии EN6000.

Электропитание аппаратуры осуществляется в соответствии с ГОСТ 5237 от источника постоянного тока с напряжением (минус 21-29 В) или (минус 36 - 72 В) с заземленным плюсом источника питания. В переходных и аварийных режимах в первичном источнике токораспределительной сети и аппаратуре, последняя должна обеспечивать задаваемые для этих условий выходные параметры в соответствии с ГОСТ 5237 - 83. Ввод отрицательного напряжения 24В,48В,60В осуществляется через модуль МТ. В нем предусмотрена первичная защита цепей питания через плавкие предохранители. Дополнительно в каждом источнике питания имеется предохранитель с плавкой вставкой, что гарантирует при неисправности выход из строя только соответствующего блока.

Электрические характеристики:

· Мультиплексор серии ENE 6012.

· Количество передаваемых каналов ТЧ 30.

· Скорость передачи на выходе, кбит/с 2048.

· Код выходного сигнала HDB3.

· Мультиплексор серии ENE 6055.

· Скорость передачи на выходе, кбит/с 2048 или 8448.

Количество входных потоков комбинации:

· 16х2048 кбит/с или,

· 8х2048 кбит/с.

· 2х8448 кбит/с.

· Скорость передачи на выходе, кбит/с 34368.

· Количество каналов в мультиплексированном потоке 480.

· Код входного сигнала HDB3.

· Код выходного сигнала HDB3.

· Терминал оптический линейный FD3250.

Электрический интерфейс:

· Скорость передачи, кбит/с 34368.

· Код HDB3.

· Амплитуда импульса, В 1,0.

· Входное сопротивление, Ом 75.

Оптический интерфейс:

· Скорость передачи, кбит/с 42664.

· Код в линии 5B6B.

· Коэффициент достоверности 10 - 11.

· Тип кабеля одномодовый.

· Длина волны, мкм 1,55.

· Источник оптической энергии лазерный диод (ЛД) FP-DC-PBH.

· Приемник оптической энергии лавинный фотодиод типа GE-APD.

· Допустимые потери, при использовании ЛД.

· Типа Y1388DC10,дБ 36.

· Средняя мощность оптического излучения, дБ - 0,5.

· Чувствительность приемника, дБ от - 14 до - 40,5.

· Энергетический потенциал, дБ 40.

В оборудовании OLT предусмотрена передача каналов сервисных данных (SD) используемых для передачи сигналов служебной связи, сигналов управления и контроля, а также служебных каналов, что способствует повышению качества и функциональной надежности линии передачи и цифрового мультиплексорного оборудования, обеспечивая контроль и управление данной аппаратурой.

3.3 Выбор типа оптического кабеля и его характеристика

Оптические кабели по своему назначению могут быть разделены на четыре группы:

междугородные;

городские;

объектовые;

подводные.

В отдельную группу выделяются монтажные оптические кабели.

Общими основными требованиями, предъявляемыми к физико-механическим характеристикам ОК, являются: высокая прочность на разрыв; водонепроницаемость; достаточная буферная защита для уменьшения потерь, вызываемых механическими напряжениями; термостойкость в рабочем диапазоне температур (-400…+500С). А также гибкость и возможность прокладки по реальным трассам; радиационная стойкость; химическая и ударная стойкость; простота монтажа и прокладки; надежность работы в течение длительного времени.

Важнейшими требованиями являются также малая стоимость волоконно-оптических линий и их эксплуатационная надежность.

Основными требованиями к оптическим характеристикам являются минимальное затухание и широкая полоса пропускания.

Как уже было сказано, аппаратура EZAN - NEC работает по одномодовому оптическому кабелю на длине волны 1,55 мкм типа ОКБ - НГ - 10 - 0,22 - 8. Кабель с волоконно-оптический с одномодовым волокном с гарантированным затуханием не более 0,22 дБ/км с броней из стальных оцинкованных проволок. Этот кабель можно прокладывать в грунтах всех категорий, в том числе зараженных грызунами, в кабельной канализации, трубах, блоках, коллекторах, на мостах и в шахтах, через неглубокие болота и несудоходные реки.

Допустимая температура эксплуатации от - 40 - до +60 С

Строительная длина оптического кабеля не менее 4000 м. Диаметр модового поля 8,5 мкм,

Основные технические характеристики кабеля ОКБ - НГ - 0,22 - 8,

Число оптических модулей: 6.

Число оптических волокон: 8.

Диаметр сердцевины, мкм: 10.

Диаметр оболочки, мкм: 125.

Затухание волокон.

На длине волны 1,55 мкм не более, дБ / км: 0,22.

Хроматическая дисперсия.

На длине волны 1,55 мкм не более, пс / нс км: 5,8.

Допустимое растягивающее усилие, кН 7.

Конструкция кабеля показана на рисунке 5.

Рисунок 5 - Конструкция кабеля ОКБ - НГ - 10 - 0,22 - 8

1 - оптическое волокно; 2 - полимерная трубка; 3 - центральный силовой элемент; 4 - гидрофобный заполнитель; 5 - гидрофобный заполнитель; 6 - скрепляющая лента; 7 - полиэтиленовая оболочка; 8 - стальная проволока; 9 - внешняя оболочка из полиэтилена

4. Расчет параметров передачи оптического волокна

4.1 Числовая апертура и количество мод волоконного световода

Режим полного внутреннего отражения предопределяет условие подачи света на входной торец волоконного световода, то есть зависит от диаграммы направленности источника излучения. Как видно из рисунка (6), световод пропускает лишь свет, заключенный в пределах телесного угла (А), величина которого обусловлена углом полного внутреннего отражения (В). Этот телесный угол характеризуется апертурой.

Рисунок 6 - Апертура волоконного световода

Апертура - это угол между оптической осью и одной из образующих светового конуса, попадающего в торец волоконного световода, при котором выполняется условие полного внутреннего отображения. Обычно пользуются понятием числовой апертуры:

где, n 1,n 2 - показатели преломления соответственно сердечника, оболочки.

По исходным данным n 1 = 1,489, n 2 = 1,487. Тогда, числовая апертура будет равна:

Как видно из рис. 5, между углом полного внутреннего отражения В и апертурным углом падения луча А имеется взаимосвязь. Чем больше угол В, тем меньше апертура волокна А. Необходимо стремится к тому, чтобы угол ввода луча в торец световода укладывался в апертурный угол (А), а угол на границу сердцевина - оболочка был больше угла полного внутреннего отражения В и находился в пределах В …90.

Общее число передаваемых мод в световоде можно определить по формуле:

,

где, V - нормативная (характеристика) частота.

Определим нормативную частоту:

где, а = 5 мкм - радиус сердцевины оптического волокна;

NA - числовая апертура.

Тогда, общее число передаваемых мод в световоде будет равно:

По полученному результату можно сделать вывод, что оптическое волокно является одномодовым.

4.2 Расчет затухания оптического волокна

Важнейшим параметром световодов затухание передаваемой энергии.

Для заданных значений скорости передачи информации и вероятности ошибки мощность сигнала на входе фотодетектора должна быть больше некоторой определенной величины. Потери энергии в световодах наряду с дисперсией определяют длину регенерационного участка цифровых ВОЛС. Коэффициент затухания световодных трактов оптических кабелей обусловлен собственными потерями в волокнах световодах к, называемыми структурами, а также деформацией и изгибами световодов при наложении упрочняющих покрытий оболочек в процессе изготовления оптического кабеля.

Собственные потери волоконных световодов состоят из потерь поглощения энергии в диэлектрике. Кроме этого значительный вклад в затухание вносит наличие примесей в сердцевине световода.

Величина потерь на поглощение обусловлена комплексным характером диэлектрической проницаемости, которая связана с tg и линейно растет с частотой

Подставляя в формулу соответствующее значение получим:

Рассеяние обусловлено неоднородностями материала волоконного световода, размеры которых сравнимы с длинной волны, и тепловой флуктуацией показателя преломления.



Где, К = 1,38 * 10 - 23 Дж/К - постоянная Больцмана;

По формуле определяем потери рассеяния:

Тогда, собственные потери будут равны:

с = 0,013 + 0,127 = 0,14 дБ / км.

Микроизгибы представляют собой мелкие локальные (сравнимые с диаметром волокна) нарушения прямолинейности волокна. Они обусловлены конструкторско-технологическими неоднородностями, возникающими при изготовлении волокна и кабеля.

Микроизгибы обусловлены скрытой оболочке, характеризуются тем, что полном внутреннем отражении часть энергии просачивается во внешнее пространство, окружающее световод и затухает по экспоненциальному закону. Это энергия достигает защитной оболочки и поглощается последней.

Потери термомеханического характера обусловлены различием в температурных коэффициентах удлинения стекла и материала оболочки, в силу чего появляются внутренние напряжения, сюда же относятся механические воздействия на волокна в процессе изготовления кабеля.

При соблюдении технологического процесса изготовления доминируют потери на микроизгибы. Потери на микроизгибы и в защитных оболочках сравнительно невелики. В целом к составляет 0,1 дБ / км.

4.3 Дисперсия оптического волокна

Дисперсия возникает по двум причинам: не когерентность источников излучения и существование большого числа мод.

Дисперсия, вызванная первой причиной, называется хроматической и волноводной (внутримодовой) дисперсией. Волноводная дисперсия связана с зависимостью коэффициента распространения от длины волны. Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны.

Дисперсия, вызванная второй причиной, называется модовой (межмодовой) мод. Она обусловлена наличием большого количества мод, каждая из которых распространяется со своей скоростью.

Уширение импульсов в результате дисперсии, которое характеризуется временем нарастания сигнала и определяемое как разность между самым большим и самым маленьким временем прихода лучей в сечении световода на расстоянии от начала 1 км, может быть рассчитано по формуле:

Различные виды дисперсии проявляются по разному в различных типах волоконных световодов. Так, в одномодовых волокнах модовая дисперсия отсутствует, и результирующее значение дисперсии определяется хроматической дисперсией.

Рисунок 7 - Зависимость М и В для кварцевого стекла

5 Расчет длины регенерационного участка и размещение НРП

5.1 Определение длины регенерационного участка

Длинна регенерационного участка определяется энергетическим потенциалом аппаратуры и параметрами кабеля: затуханием и величиной дисперсии. Затухание приводит к ослаблению сигнала и уменьшению дальности передачи. Дисперсия ограничивает пропускную способность, которая сказывается тем сильнее, чем длиннее линия, а также она приводит к искажению импульса. Учитывая эти обстоятельства при проектировании высокоскоростных ВОЛП должны рассчитываться отдельно длина участка регенерации по затуханию (L) и длина участка регенерации по широкополосности (LВ), так как причины, ограничивающие предельные значения L и LB независимы.

В общем случае необходимо рассчитывать две величины длины участка регенерации по затуханию:

Для оценки величины длин участка регенерации могут быть использованы следующие выражения:

L В мин - минимальная проектная длина участка регенерации

А макс, А мин = 38 дБ - максимальное и минимальное значение перекрываемого затухания аппаратуры ВОЛП, обеспечивающее к концу срока службы значение коэффициента ошибок не более 10 - 10;

М = 6 дБ - системный запас ВОЛП по кабелю на участке регенерации;

Подставляя значения в формулу, определим максимальную длину участка регенерации:

...