Модернизация участка Матак-Каркаралы

2.1.4 Моды, распространяющиеся в оптических волноводах

В общем случае распространение электромагнитных волн описывается системой уравнений Максвелла в дифференциальной форме:

(2.2)

где - плотность электрического заряда; и - напряженности электрического и магнитного полей соответственно; - плотность тока; и - электрическая и магнитная индукции.

Если представить напряженность электрического и магнитного поля и при помощи преобразования Фурье [14]:

(2.3)

то волновые уравнения примут вид:

(2.4)

где - оператор Лапласа.

Световод можно представить идеальным цилиндром с продольной осью z, оси х и у в поперечной (ху) плоскости образуют горизонтальную (xz) и вертикальную (xz) плоскости. В этой системе существуют 4 класса волн (Е и Н ортогональны):

- поперечные Т: E_z = Н_z = 0; Е = Е_y; Н = Н_x;

- электрические Е: Е_z = 0, Н_z = 0; Е = (Е_y , Е_z) - распространяются в плоскости (yz); Н = Н_x ;

- магнитные Н: Н_z = 0, Е_z = 0; Н = (Н_x , Н_z) - распространяются в плоскости (xz), E = E_z;

- смешанные ЕН или НЕ: Е_z = 0, Н_z = 0; Е = (Е_y , Е_z), Н = (Н_x , Н_z) - распространяются в плоскостях (xz) и (yz).

При решении системы уравнений Максвелла удобнее использовать цилиндрические координаты (z, r, ц), при этом решение ищется в виде волн с компонентами E_z , Н_z вида:

, (2.5)

где и - нормирующие постоянные; - искомая функция; - продольный коэффициент распространения волны.

Решения для получаются в виде наборов из m (появляются целые индексы m) простых функций Бесселя для сердцевины и модифицированных функций Ханкеля для оболочки, где и - поперечные коэффициенты распространения в сердцевине и оболочке соответственно, - волновое число. Параметр определяется как решение характеристического уравнения, получаемого из граничных условий, требующих непрерывности тангенциальных составляющих компонент E_z и Н_z электромагнитного поля на границе раздела сердцевины и оболочки. Характеристическое уравнение, в свою очередь, дает набор из n решений (появляются целые индексы n) для каждого целого m, т.е. имеем собственных значений, каждому из которых соответствует определенный тип волны, называемый модой. В результате формируется набор мод, перебор которых основан на использовании двойных индексов. Условием существования направляемой моды является экспоненциальное убывание ее поля в оболочке вдоль координаты r , что определяется значением поперечного коэффициента распространения в оболочке. При = 0 устанавливается критический режим, заключающийся в невозможности существования направляемой моды, что соответствует [14]:

(2.6)

Последнее уравнение имеет бесчисленное множество решений [14]:

(2.7)

Введем величину, называемую нормированной частотой V, которая связывает структурные параметры ОВ и длину световой волны, и определяемую следующим выражением:

(2.8)

При = 0 для каждого из решений уравнения (2.6) имеет место критическое значение нормированной частоты (m = 1, 2, 3, n = 0, 1, 2, 3):

и т.д.

Для моды HE₁₁ критическое значение нормированной частоты . Эта мода распространяется при любой частоте и структурных параметрах волокна и является фундаментальной модой ступенчатого ОВ. Выбирая параметры ОВ можно добиться режима распространения только этой моды, что осуществляется при условии:

 (2.9)

Минимальная длина волны, при которой в ОВ распространяется фундаментальная мода, называется волоконной длиной волны отсечки. Значение определяется из последнего выражения как:

(2.10)

2.1.5 Одномодовые оптические волокна

Одномодовые волокна подразделяются на ступенчатые одномодовые волокна (step index single mode fiber) или стандартные волокна SF (standard fiber), на волокна со смещенной дисперсией DSF (dispersion-shifted single mode fiber), и на волокна с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF (non-zero dispersion-shifted single mode fiber).

В ступенчатом одномодовом оптическом волокне (SF) (рисунок 2.3) диаметр светонесущей жилы составляет 8-10 мкм и сравним с длиной световой волны. В таком волокне при достаточно большой длине волны света л > л_CF (л_CF - длина волны отсечки) распространяется только один луч (одна мода). Одномодовый режим в оптическом волокне реализуется в окнах прозрачности 1310 нм и 1550 нм. Распространение только одной моды устраняет межмодовую дисперсию и обеспечивает очень высокую пропускную способность одномодового волокна в этих окнах прозрачности. Наилучший режим распространения с точки зрения дисперсии достигается в окрестности длины волны 1310 нм, когда хроматическая дисперсия обращается в ноль. С точки зрения потерь это не самое лучшее окно прозрачности. В этом окне потери составляют 0,3 - 0,4 дБ/км, в то время как наименьшее затухание 0,20 - 0,25 дБ/км достигается в окне 1550 нм.



Рисунок 2.3 - Профили показателя преломления

В одномодовом оптическом волокне со смещенной дисперсией (DSF) (рисунок 2.3) длина волны, на которой дисперсия обращается в ноль, - длина волны нулевой дисперсии л₀ - смещена в окно прозрачности 1550 нм. Такое смещение достигается благодаря специальному профилю показателя преломления волокна. Таким образом, в волокне со смещенной дисперсией реализуются наилучшие характеристики, как по минимуму дисперсии, так и по минимуму потерь. Поэтому такое волокно лучше подходит для строительства протяженных сегментов с расстоянием между ретрансляторами до 100 и более км. Разумеется, единственная рабочая длина волны берется близкой к: 1550 нм.

Одномодовое оптическое волокно с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF в отличие от DSF оптимизировано для передачи не одной длины волны, а сразу нескольких длин волн (мультиплексного волнового сигнала) и наиболее эффективно может использоваться при построении магистралей «полностью оптических сетей» - сетей, на узлах которых не происходит оптоэлектронного преобразования при распространении оптического сигнала.

Оптимизация трех перечисленных типов одномодовых ОВ совершенно не означает, что они всегда должны использоваться исключительно под определенные задачи: SF - передача сигнала на длине волны 1310 нм, DSF - передача сигнала на длине волны 1550 нм, NZDSF - передача мультиплексного сигнала в окне 1530-1560 нм. Так, например, мультиплексный сигнал в окне 1530-1560 нм можно передавать и по стандартному ступенчатому одномодовому волокну SF [6]. Однако длина безретрансляционного участка при использовании волокна SF будет меньше, чем при использовании NZDSF, или иначе потребуется очень узкая полоса спектрального излучения лазерных передатчиков для уменьшения результирующей хроматической дисперсии. Максимальное допустимое расстояние определяется техническими характеристиками как самого волокна (затуханием, дисперсией), так и приемопередающего оборудования (мощностью, частотой, спектральным уширением излучения передатчика, чувствительностью приемника).

В ВОЛС наиболее широко используются следующие стандарты волокон:

- многомодовое градиентное волокно 50/125;

- многомодовое градиентное волокно 62,5/125;

- одномодовое ступенчатое волокно SF (волокно с несмещенной дисперсией или стандартное волокно) 8-10/125;

- одномодовое волокно со смещенной дисперсией DSF 8-10/125;

- одномодовое волокно с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF (по профилю показателя преломления это волокно схоже с предыдущим типом волокна).

2.1.6 Константа распространения и фазовая скорость

Волновое число k можно рассматривать как вектор, направление которого совпадает с направлением распространения света в объемных средах. Этот вектор называется волновым вектором. В среде с показателем преломления величина волнового вектора равна . В случае распространения света внутри волновода направление распространения света совпадает с направлением проекции в волнового вектора k, на ось волновода:

(2.11)

где - угол, дополняющий угол i до 90 (или угол между лучом и осью, как показано на рисунке 2.4); в - называется константой распространения и играет такую же роль в волноводе как волновое число k в свободном пространстве так как, , то в соответствии с формулой 2.11, и i зависят от длины волны [16].

Рисунок 2.4 - Волновой вектор и константа распространения

Угол падения изменяется между и р/2. Следовательно:

(2.12)

Таким образом, величина константы распространения внутри волновода всегда лежит между значениями волновых чисел плоской световой волны в материале сердцевины и оболочки. Если учесть, что , то можно переписать это соотношение на языке фазовых скоростей:

(2.13)

Фазовые скорости распространения мод заключены между фазовыми скоростями волн в двух объемных материалах.

Скорость распространения светового сигнала или групповая скорость - это скорость распространения огибающей светового импульса. В общем случае групповая скорость u не равна фазовой скорости. Различие фазовых скоростей мод приводит к искажению входного пучка света по мере его распространения в волокне.

В волокне с параболическим градиентным показателем преломления наклонные лучи распространяются по криволинейной траектории, которая, естественно, длиннее, чем путь распространения аксиального луча. Однако из-за уменьшения показателя преломления по мере удаления от оси волокна, скорость распространения составляющих светового сигнала при приближении к оболочке оптического волокна возрастает, так что в результате этого время распространения составляющих по ОВ оказывается примерно одинаковым. Таким образом, дисперсия или изменение времени распространения различных мод, сводится к минимуму, а ширина полосы пропускания волокна увеличивается. Точный расчет показывает, что разброс групповых скоростей различных мод в таком волокне существенно меньше, чем в волокне со ступенчатым профилем показателя преломления. Оптические волокна, которые могут поддерживать распространение только моды самого низкого порядка, называются одномодовыми.

Таким образом, каждая мода, распространяющаяся в ОВ, характеризуется постоянным по длине световода распределением интенсивности в поперечном сечении, постоянной распространения в, а также фазовой v и групповой u скоростями распространения вдоль оптической оси, которые различны для разных мод. Из-за различия фазовых скоростей мод волновой фронт и распределение поля в поперечном сечении изменяются вдоль оси волокна. Из-за различия групповых скоростей мод световые импульсы расширяются, и это явление называется межмодовой дисперсией.

В одномодовом волокне существует только одна мода распространения, поэтому такое волокно характеризуется постоянным распределением поля в поперечном сечении, в нем отсутствует межмодовая дисперсия, и оно может передавать излучение с очень широкой полосой модуляции, ограниченной только другими видами дисперсии [13].

2.1.7 Расчет основных характеристик ВОЛС

Качество ОК проверяется с использованием общепринятых методов измерений. Если одномодовые ВС имеют изгибы или соединения, то размер диаметра поля моды является важным фактором влияющим на характеристики затухания. Так, увеличение диаметра поля моды приводит к ухудшению пропускания света в изгибах, но уменьшает потери в разъемных и неразъемных соединениях [17].

Расчет числовой апертуры волоконного световода. Важнейшим обобщённым параметром волоконного световода является апертура.

Числовая апертура - это угол между оптической осью и одной из образующих светового конуса, попадающего в торец волоконного световода, при котором выполняется условие полного внутреннего отражения.

Рассчитаем показатель преломления оболочки n₂. Исходя из оптических характеристик кабеля числовая апертура NA = 0,11.

Известно что:

, (2.14)

где n₁ - согласно формуле 2.1 показатель преломления сердцевины равно 1,4681, тогда:

n₂=, (2.15)

n₂=

Расчет нормированной частоты. Важнейшим обобщённым параметром волоконного световода, используемым для оценки его свойств, является нормированная частота V (формула 2.8).

На практике данный параметр определяется из выражения:

V = , (2.16)

где a - радиус сердцевины оболочки, а = 4,5 мкм; n₁ - показатель преломления сердцевины, n₁=1,4681; n₂ - (согласно 2.15) показатель преломления оболочки, n₂=1,4639, тогда:

V = = 2,3741.

По приведенным выше формулам была составлена программа на языке программирования Borland Pascal. Результаты работы программы приведены ниже:

Input parameters

Please input n1 1.4681

Please input delta n 0.00286

Please input small diameter [micrometers] 9

Please input work wavelength [micrometers] 1.31

O`K

Results:

n2=1.464

Numerical Aperture=0.111

V=2.395

V<2.405 Singlemode work

Из расчета программы видно, что при заданных параметрах в световоде будет одномодовый режим передачи оптической мощности. Алгоритм и текст программы представлены в конце пояснительной записки [П.Б.].

Произведем расчет параметров кабеля, исходя из того, что мы имеем одномодовые волокна со ступенчатым профилем показателя преломления с диаметром сердцевины 2а = 9мкм и критической длиной волны = 1250 нм, диаметр поля моды 2₀ при длине волны 1310 нм [14]:

2₀ 2a, (2.17)

где - рабочая длина волны, = 1310 нм; с - критическая длина волны, выше которой в световоде направляется только основная мода, с = 1250 нм; Vc - критическая нормированная частота, для одномодового режима Vc = 2,405.

2₀ 9 = 10,196 мкм.

Это значит, что можно выбирать ОВ с диаметром сердцевины до 10 мкм. Учитывая, что в световоде границей раздела сред сердцевина - оболочка являются прозрачные стёкла, возможно, не только отражение оптического луча, но и проникновение его в оболочку. Для предотвращения перехода энергии в оболочку и излучения в окружающее пространство необходимо соблюдать условие полного внутреннего отражения и апертуру [16,17].

Известно, что при переходе из среды с большей плотностью в среду с меньшей плотностью, то есть при n₁>n₂, волна при определённом угле падения полностью отражается и не переходит в другую среду. Угол падения, начиная с которого вся энергия отражается от границы раздела сред, при wp=_в, называется углом полного внутреннего отражения:

, (2.18)

где m и e - соответственно магнитная и диэлектрическая проницаемости сердечника(m₁,e₁) и оболочки (m₂,e₂).

При wp<_в преломлённый луч проходит вдоль границы раздела «сердцевина - оболочка» и не излучается в окружающее пространство.

При wp>_в энергия, поступившая в сердечник, полностью отражается и распространяется по световоду. Чем больше угол падения волны, wp>_в в пределах от _в до 90 градусов, тем лучше условия распространения и тем быстрее волна придёт к приёмному концу. В этом случае вся энергия концентрируется в сердечнике световода и практически не излучается в окружающую среду. При падении луча под углом, меньшим угла полного отражения, wp<_в , энергия проникает в оболочку, излучается во внешнее пространство и передача по световоду неэффективна.

Режим полного внутреннего отражения предопределяет условие подачи света на входной торец волоконного световода. Световод пропускает лишь свет, заключённый в пределах телесного угла _а, величина которого обусловлена углом полного внутреннего отражения _в. Этот телесный угол _а характеризуется числовой апертурой.

Между углами полного внутреннего отражения _в и апертурным углом падения луча _а имеется взаимосвязь. Чем больше угол _в , тем меньше апертура волокна _а . Следует стремится к тому, чтобы угол падения луча на границу сердечник - оболочка wp был больше угла полного внутреннего отражения _в и находился в пределах от _в до 90 градусов, а угол ввода луча в торец световода w укладывался в апертурный угол _а (w<_а).

Найдем критичесrий угол с, при котором еще выполняется условие полного внутреннего отражения:

с= (2.19)

с=

Зная показатели преломления оболочки n₂ и сердцевины n₁ рассчитаем относительную разность показателей преломления :

(2.20)

Расчет длины регенерационного участка. Расчет длинны регенерационного участка () является важным разделом проектирования. Для обеспечения лучшего качества передачи информации и экономии затрат предпочтительнее, чтобы была максимальной. Величина , в основном, определяется двумя факторами: потерями и дисперсией в оптическом кабеле. Наиболее перспективными в этом отношении являются системы с одномодовыми волоконными световодами (ВС) и длиной волны, равной 1,3 . . .1,55 , которые при малых потерях позволяют получить высокую информационную емкость. Определение длины регенерационного участка ВОЛС производится на основе заданных параметров качества связи и пропускной способности линии после того, как выбрана типовая система передачи и оптический кабель. Качество связи в цифровых системах передачи в первом приближении определяется уровнем флуктуационных шумов на входе фотоприемника и межсимвольной интерференцией, то есть перекрытием импульсов при их уширении. С ростом длины линии уширение импульсов, характеризуемое величиной , увеличивается, вероятность ошибки возрастает. Таким образом, длина регенерационного участка ограничивается либо затуханием, либо уширением импульсов в линии.

Для безискаженного приема ИКМ сигналов достаточно выполнить требование:

(2.21)

где - длительность тактового интервала ИКМ сигнала; - длительность импульса; - результирующая дисперсия или:

(2.22)

где - тактовая частота линейного сигнала.

Если длительность паузы равна длительности посылки, то:

 (2.23)

то есть уширение импульса, прошедшего световод одного участка , не превышает половины длительности тактового интервала. Эти условия определяют первые расчетные соотношения для определения допустимой длины регенерационного участка:

- , (2.24)

или:

(2.25)

где - результирующая дисперсия, поскольку выбран одномодовый кабель, то модовую дисперсию не рассматриваем. В одномодовых оптических волокнах результирующее значение дисперсии определяется хроматической дисперсией:

(2.26)

где () - материальная дисперсия; () - волновая дисперсия.

Материальная дисперсия () - зависимость показателя преломления материала от длины волны. С ростом длины волны коэффициент дисперсии уменьшается:

(2.27)

где - ширина спектральной линии источника излучения, равная 0,14 для лазера (по техническим данным на нашу аппаратуру = 1,8); М() - удельная материальная дисперсия для кварцевого стекла равна -20 .

=

Волновая дисперсия () - зависимость коэффициента распространения от длины волны:

(2.28)

где В() - удельная волновая дисперсия, для кварцевого стекла равна 10.

=

Суммируя волноводную и материальную дисперсии, получим хроматическую или результирующую дисперсию:

(2.29)

Эта величина близка к техническим данным аппаратуры и кабеля.

Найдем допустимую длину регенерационного участка:

Второе расчетное соотношение можно получить, учитывая, что мощность полезного сигнала на входе фотоприемника не должна быть меньше заданной минимально допустимой мощности , при которой обеспечивается необходимая достоверность передачи сигнала:

(2.30)

где- уровень мощности генератора излучения, ; - потери в разъемном соединении, (используются для подключения приемника и передатчика к ОК); ,- потери при вводе и выводе излучения из волокна, ; - потери в неразъемных соединениях, ; - коэффициент ослабления оптического волокна, ; - строительная длина ОК, .

Величина носит название энергетического потенциала аппаратуры и определяется типом выбранного источника излучения и фотоприемника:

(2.31)

Энергетический потенциал берем из паспортных данных на выбранную аппаратуру. Она равна = 31.

Длину максимального регенерационного участка, определяемого ослаблением линии можно получить из соотношения:

(2.32)

где- среднее значение, равное плюс 6; - 0,5; ,- 1,0;

- 0,1; - 0,22; - 4; - (-36) (для выбранного типа фотоприемника); - системный запас ВОСП по затуханию на участка регенерации.

Системный запас учитывает изменение состава оптического кабеля за счет появления дополнительных (ремонтных) вставок, сварных соединений, а также изменения характеристик оптического кабеля, вызванных воздействием окружающей среды и ухудшением качества оптических соединителей в течение срока службы, и устанавливается при проектировании ВОСП, исходя из ее назначения и условий эксплуатации оператором связи, в частности, исходя из статистики повреждения (обрывов) кабеля в зоне действия оператора. Рекомендуемый диапазон устанавливаемых значений системного запаса от 2 (наиболее благоприятные условия эксплуатации) до 6 (наихудшие условия эксплуатации). Эти данные взяты из технического паспорта на аппаратуру [25].

Определяем максимальную длину регенерационного участка согласно формуле (2.32):

Таким образом, для одномодового волокна длина регенерационного участка зависит от ослабления сигнала, но по расчету выполняется с некоторым запасом, поэтому больше чем в технических данных на оборудование завода-изготовителя, что может быть, так как расчет поверочный. Возможно, не были учтены какие-нибудь параметры, измененные заводом-изготовителем в процессе проектирования или технологии изготовления, что возможно, является коммерческой тайной, применения кабеля с меньшим затуханием.

Длина между ОП-1 (Матак) и ОП-2 (Каркаралы) равна 79, что непревышает максимальную =98,4,следовательно, нет необходимости установить на кабельной магистрали НРП (ОРП).

2.2 Цифровые системы передачи

2.2.1 Концепция построения современных систем передачи

Развитие науки и ускорение технического прогресса невозможны без совершенствования средств связи, систем сбора, передачи и обработки информации.

Интенсивное развитие новых информационных технологий в последние годы привело к бурному развитию микропроцессорной техники, которая стимулировала развитие цифровых методов передачи информации.

В конечном счёте, это привело к созданию новых высокоскоростных технологий глобальных сетей: PDH, SONET, SDH, ISDN, Frame Relay и ATM.

Одной из наиболее современных технологией, используемых в настоящее время для построения сетей связи, является технология синхронной цифровой иерархии SDH.

Интерес к SDH обусловлен тем, что эта технология пришла на смену импульсно-кодовой модуляции PCM (ИКМ) и плезиохронной цифровой иерархии PDH (ПЦИ).

Стала интенсивно внедряться в результате массовой установки современных зарубежных цифровых АТС, позволяющих оперировать потоками 2 Мбит/с, и создания в регионах локальных колец SDH.

Синхронная цифровая иерархия (СЦИ) обладает существенными преимуществами по сравнению с системами предшествующих поколений, позволяет полностью реализовать возможности волоконно-оптических линий передачи и создавать гибкие, удобные для эксплуатации и управления сети, гарантируя высокое качество связи.

Таким образом, концепция SDH позволяет оптимально сочетать процессы высококачественной передачи цифровой информации с процессами автоматизированного управления, контроля и обслуживания сети в рамках единой системы.

Системы СЦИ обеспечивают скорости передачи от 155 Мбит/с и выше и могут транспортировать как сигналы существующих цифровых систем (например, распространённых на городских сетях ИКМ-30), так и новых перспективных служб, в том числе широкополосных.

Аппаратура СЦИ является программно-управляемой и интегрирует в себе средства преобразования, передачи, оперативного переключения, контроля, управления.

Благодаря появлению современных волоконно-оптических кабелей (ВОК) 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.

Большинство регенераторов оказывается возможным совместить с оконечными или транзитными станциями. Из этого следует, что СЦИ - это не просто новые системы передачи, это и принципиальные изменения в сетевой архитектуре, организации управления. Внедрение СЦИ представляет собой качественно новый этап развития цифровой сети связи.

Поэтому в программе развития Казахстана на долгосрочную перспективу внедрению новейших информационных технологий принадлежит одно из приоритетных мест. Строительство ВОЛС на этом участке - очередной логический этап комплексной модернизации связи Казахстана, результатом которой будет создание мощной современной информационной сети.

Преимущества ВОЛС перед медными линиями очевидны: высокая надёжность и помехозащищённость, большая скорость передачи информации, большая пропускная способность. ВОСП поднимает средства телекоммуникаций на качественно новый, значительно более высокий уровень развития.

Это и надёжная телефонная связь, выход в Интернет и другие глобальные проекты, осуществление которых в настоящее время на данном участке практически невозможно. Внедрение ВОСП поднимет на более высокую ступень и вторичные сети связи, с существенным расширением спектра новых услуг, требующих широкополосных каналов (например, в сети технологической связи - видеосвязь, видеоконференции, промышленное телевидение, компьютерные сети, действующие в реальном масштабе времени).

Проектируемая трасса ВОЛС предназначена в первую очередь для обеспечения абонентов качественной связью.

2.2.2 Системы передачи PDH, характеристика, особенности

На современных сетях эксплуатируются как системы плезиохронной, так и системы синхронной цифровой иерархии.

Стандарт PDH - плезиохронная цифровая иерархия. Иерархия, рекомендованная для цифровых систем передач, чем-то похожа на иерархию календаря. Для этого необходимо было выбрать некоторую единицу измерения "электронную" скорость цифрового потока, единую для всех стран и предприятий, выпускающих аппаратуру систем передач и позволяющую измерять скорость суммарных цифровых потоков. Такой "единичной" скоростью во всем мире является скорость передачи цифровой речи, равная 64 Кбит/c. Канал, в котором передаются со скоростью 64 000 бит/с, получил название основного цифрового канала. Возможности любой цифровой системы передачи оцениваются числом организованных с ее помощью именно таких стандартных каналов.

Объединение потоков с выравниванием скоростей получило название плезиохронного (почти синхронного), а существующая иерархия скоростей передачи цифровых потоков, а значит и систем передачи типа ИКМ (импульсно-кодовой модуляции) - плезиохронной цифровой иерархией (в англоязычном написании Plesiohronous Digital Hierarhi, PDH).

Плезиохронная цифровая иерархия была разработана в начале 80-х годов. На эту иерархию возлагались большие надежды, но она оказалась очень не гибкой, чтобы вводить в цифровой поток "несущийся" с высокой скоростью или выводить из него низкоскоростные потоки, необходимо полностью "расшивать", а затем снова "сшивать" высокоскоростной поток. Это требует установки большого числа мультиплексоров и де мультиплексоров. Ясно, что делать эту операцию часто весьма дорого.

Система PDH использует принцип плезиохронного мультиплексирования, согласно которому для мультиплексирования, например, 4-х потоков Е1 (2048 Кбит/с) в один поток Е2 (8448 Кбит/с) производится процедура выравнивания таковых частот происходящих сигналов методом стаффинга. В результате при мультиплексировании необходимо производить пошаговый процесс восстановления исходных каналов. Например, во вторичных сетях цифровой телефонии наиболее распространено использование потока Е1. При передаче этого потока по сети PDH в тракте Е3 необходимо сначала провести пошаговое мультиплексирование Е1-Е2-Е3, а затем пошаговое демультиплексирование Е3-Е2-Е1, в каждом пункте выделения канала Е1. Это очень крупный недостаток аппаратуры PDH - из-за увеличения количества необходимого оборудования для выделения одного-двух потоков. Первичный цифровой канал Е1 объединяет 32 канала DSO, из которых один DSO используется для кадровой синхронизации, другой - для сигнализации. Кадр этого потока состоит из 32 канальных интервалов по 8 бит каждых. Частота следования кадров 8 Кгц, что дает скорость потока 32*8*8=2048 Кбит/с.

Суть основных недостатков РDН заключается в том, что добавление выравнивающих бит делает невозможным идентификацию и вывод, например, потока 64 Мбит/с или 2 Мбит/с "зашитого" в поток 140 Мбит/с без полного демультиплексирования или "расшитого" этого потока и удаления выравнивающих бит. Одно дело "гнать" поток междугородных или международных телефонных разговоров от одного телефонного узла к другому "смешивая" и "расшивая" их достаточно редко. Другое дело - связывать несколько банков и / или их отделение с помощью РDН сети. В последнем случае часто приходится либо выводить поток 64 Кбит/с или 2 Мбит/с из потока 140 Мбит/с, чтобы завести его, например, в отделение банка, либо наоборот выводить поток 64 Кбит/с или 2 Мбит/с из банка для ввода его обратно в поток 140 Мбит, осуществление такой ступени ввод\вывод приходится проводить достаточно сложную операцию трехуровневого демультиплексирования ("расшивая") РDН сигнала с удалением\добавлением выравнивающих бит (на всех трех уровнях) и его последующего трехуровневого мультиплексирования ("сшивая") с добавлением новых выравнивающих бит. тем сигнализации. Однако эти средства слишком слабы.

При наличии многих пользователей, требующих ввода\вывода исходных (2 Мбит\с) потоков для аппаратурной реализации сети требуется чрезмерно большое количество мультиплексоров, в результате эксплуатация сети становится экономически не выгодной.

Другое узкое место технологии РDН - слабые возможности в организации каналов для целей контроля и управления потоком в сети и практически полное отсутствие средств маршрутизации низовых мультиплексированных потоков, что крайне важно для использования в сетях передачи данных. Обычно для целей последующей идентификации и сигнализации поток разбивается на группы тайм-слотов, или фреймы, из которых затем компонуются группы из нескольких фреймов или мультифреймы. Последние, давая возможность идентифицировать на приемной стороне отдельные фреймы, снабжаются дополнительными битами циклических помехоустойчивых кодов и используемых сисровании РDН фреймов и мультифреймов увеличивается (при возрастании числа мультиплексирований и переключений потоков при маршрутизации), возможность ошибки в отслеживании "истории" текущих переключений, а значит увеличивается и возможность "потерять" сведения не только о текущем переключении, но и о его "истории" в целом, что приводит к нарушению схемы маршрутизации всего трафика. Так казалось бы существенное достоинство метода - небольшая "перегруженность заголовками" (рекомендация G.704 вообще не предусматривает необходимые для нормальной маршрутизации заголовки) - на деле оборачивается еще одним серьезным недостатком, как только возникает необходимость в развитой маршрутизации, вызванная использованием сети РDН для передачи данных.

И так, ряд недостатков РDН:

-затрудненный ввод/вывод цифровых потоков в промежуточных пунктах;

-отсутствие средств сетевого автоматического контроля и управления;

-многоступенчатого восстановления наличие трех различных иерархий.

2.2.3 Стандарт SDH

Указанные недостатки РDН а также ряд других факторов привели к разработке в США еще одной иерархии - иерархии синхронной оптической сети SONET, а в Европе аналитической синхронной цифровой иерархии SDH, предложенными для использования на ВОЛС. Но из-за неудачно выбранной скорости передачи для STS-1, было принято решение - отказаться от создания SONET, а создать ан ее основе SONET/ SDH со скоростью 51,84 Мбит /с первого уровня ОС1 этой СЦИ. В результате ОСЗ SONET/ SDH соответствует STМ-1 иерархии SDH. Скорости передач иерархии SDH представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Скорости передачи иерархии SDH

Уровень SDH	Скорость передачи Мбит/с
STМ-1	155,520
STМ-4	622,080
STМ-16	2487,320

SDH - синхронная цифровая иерархия. SDH - это набор цифровых структур, стандартизированных с целью транспортирования нужным образом адаптированной нагрузки по физическим сетям. SDH - рассчитывается на транспортирование как сигналов действующих PDH, имеющих скорости, указанные в рекомендации G.703, как сигналов новых широкополосных служб. В тоже время значительно повышаются надежность и живучесть сетей, их гибкость, качество связи, Линейные сигналы SDH организованы в так называемые синхронные транспортные модули STM. Первый из них STM - 1 соответствует скорости 155 Мбит/с. Каждый последующий имеет скорость в четыре раза большую, чем предыдущий и образуется по байтным синхронным мультиплексированием. Уже стандартизованы STM - 4 (622 Мбит/с) и STM - 16 (2,5 Гбит/с).

В сети SDH используется принцип контейнерных перевозок, Подлежащие транспортированию сигналы предварительно размещаются в стандартных контейнерах С. Все операции производятся с контейнерами независимо от их содержимого. Благодаря этому достигается прозрачность сети SDH, то есть возможность транспортировать различные сигналы SDH, потоки ячеек АТМ или какие-либо новые сигналы. Имеются контейнеры четырех уровней. Все они, вместе с сигналами SDH в них размещенными указаны в таблице 3.2

Таблица 3.2- Контейнеры четырех уровней SDH

Уровень	Контейнер	Сигнал SDH, Мбит/с
1 2 3 4	С-11, С-12 С-2 С-3 С-4	1,5; 2 6 34 и 45 140

Важной особенностью сети SDH является ее деление на три функциональных слоя, которые подразделяются на подслои (таблица 3.3). Каждый слой обслуживает вышележащий слой и имеет определенные точки доступа. Слои имеют собственные средства контроля и управления, упрощает операции по ликвидации последствий отказов и снижения их влияния на вышележащий слой. Независимость слоев позволяет внедрять, модернизировать или заменять их, не затрагивая другие слои.

Таблица 3.3 - Деление SDH на функциональные слои

Cлои	Подслои
Каналы Тракты	Низшего порядка
	Высшего порядка
Средства передачи	Мультиплексные Секции Регенерационные
	Физическая среда: ВОЛС, РРЛ, медный кабель

Важнейшими для последующего изложения являются сетевые слои: каналов, трактов и секций, сеть каналов - слой, обслуживающий собственно пользователей. Их терминалы подключаются к комплектам оконечной аппаратуры SDH соединительными линиями. Сеть каналов соединяет различные комплекты оконечной аппаратуры SDH через коммутационные станции.

Группы каналов объединяются в групповые тракты различных порядков, образуя сеть трактов. Имеются два сетевых слоя трактов (сверху вниз по иерархии SDH) низшего и высшего порядка. В слое трактов осуществляется программный и дистанционный контроль и управление соединениями. Все тракты оканчиваются в аппаратуре оперативного переключения, входящей в мультиплексоры SDH.

Групповые тракты организуются в линейные, построение которых зависит от среды передачи (ОВ, РРЛ). Это сетевой слой передачи. Он подразделяется на две части: слой секций (верхний) и слой физической среды. Сетевой слой секций подразделяется на два. Верхним является слой мультиплексных секций (МС). МС - обеспечивает передачу информации между пунктами, где оканчиваются или переключаются тракты. Нижний слой регенерационных секций (РС) - обеспечивает передачу информации между регенераторами и пунктами окончания или переключения трактов. Новая цифровая иерархия была задумана как скоростная.

Надежность сетей SDH, их способность к самовосстановлению, возможность поддержки потоков в широком диапазоне скоростей, развитые средства конфигурирования мониторинга и администрирования привели к широкому использованию SDH.

Применение SDH-технологий:

транспортировка потоков данных в АТМ сетях. При этом SDH оборудование обеспечивает передачу сигнала на большие расстояния, осуществляет кросс соединение АТМ - потоков и позволяет организовать АТМ сети со сложной топологией даже для линейного расположения АТМ-коммутаторов;

передача большого числа Е1 потоков. Первичный цифровой канал Е1 объединяет 32 канала DCO (основной цифровой канал), из которых один DCO используется для кадровой синхронизации, другой - для сигнализации. Кадр этого потока состоит из 32 канальных интервалов по 8 бит каждый. Частота следования кадров 8 Кгц, что дает скорость потока 32 х 8 х 8 = 2048 Кбит/с.

создание отказоустойчивых транспортных сетей с быстрым временем восстановления работоспособности (по этому показателю SDH значительно превосходит другие технологии).

По мере распространения SDH - технологий при объединении сетей различных операторов связи остро встает проблема глобальной синхронизации узлов, и этот момент нельзя недооценивать.

Тенденция последних лет - вытеснение существующих ныне систем PDH сетями SDH, а также использование этой технологии не только операторами связи, но и для построения магистралей корпоративных информационных систем.

С начала 90-х годов в странах СНГ (Россия, Украина, Казахстан и др.) развернуты и полномасштабно функционируют десятки крупных сетей SDH. Технология SDH активно продвигается в регионы. На её основе происходит крупномасштабное переоборудование старой аналогичной сети связи в цифровую взаимосвязанную сеть. С течением времени под влиянием новых требований пользователей (интернет, создание частных виртуальных сетей, удаленный доступ и т.д.) компании связи, развернувшие в регионе цифровую сеть SDH для транспорта коммутируемых телефонных каналов, осознают необходимость своего участия на данном рынке услуг и получение новых источников доходов. Таким образом, наметился переход многих региональных операторов связи от предоставления транспорта телефонии к предоставлению полномасштабных (или частичных) сервисных услуг с гарантированным качеством.

3. Рабочая документация

3.1 Предложенияе по выбору оборудования для организации связи

3.1.1 Основной функциональный модуль сетей СЦИ

Основным функциональным модулем сетей СЦИ является мультиплексор. Термин мультиплексор используется как собственно для мультиплексоров, служащих для сборки (мультиплексирования) высокоскоростного потока из низкоскоростных, так и для разборки (демультиплексирования) высокоскоростного потока с целью выделения низкоскоростных потоков.

Мультиплексоры СЦИ в отличие от обычных мультиплексоров, используемых, например, в сетях ПЦИ, выполняют как функции собственно мультиплексора, так и функции устройств терминального доступа, позволяя подключить низкоскоростные каналы ПЦИ непосредственно к своим входным портам. Они являются более универсальными и гибкими устройствами, кроме задачи мультиплексирования выполняют ещё и задачи коммутации, концентрации и регенерации. Принято, однако, выделять два основных типа мультиплексора: терминальный мультиплексор и мультиплексор ввода - вывода.

Терминальный мультиплексор (ТМ) является мультиплексором и оконечным устройством СЦИ сети с каналами доступа, соответствующими трибами ПЦИ и СЦИ. ТМ может или вводить каналы, то есть коммутировать их со входа трибного интерфейса на линейный вход, или выводить каналы, то есть коммутировать их с линейного входа на выход трибного интерфейса. Как правило, эта коммутация ограничена трибами 1,5 и 2 Мбит/с.

Другой важной особенностью мультиплексора является наличие двух оптических линейных выходов (каналов приёма/передачи), называемых агрегатными выходами и используемых для создания режима стопроцентного резервирования, или защиты по схеме 1+1 с целью повышения надёжности.

Мультиплексор ввода/вывода (ADM) имеет на входе тот же набор трибов, что и терминальный мультиплексор. Он позволяет вводить и выводить соответствующие им каналы. Дополнительно к возможностям коммутации, обеспечиваемым ТМ, ADM позволяет осуществлять сквозную коммутацию выходных потоков в обоих направлениях, а также осуществлять замыкание канала приёма на канал передачи на обеих сторонах в случае выхода из строя одного из направлений. Наконец, он позволяет (в случае аварийного выхода из строя мультиплексора) пропускать основной оптический поток мимо себя в обходном режиме.

Рассмотрим возможные варианты приобретения синхронных мультиплексоров: SDM-1 (ECI Telecom, Израиль), SMA-1 R2 (Siemens, Германия) и FOX-1640 (Alcatel, Германия). Результаты сравнения сведем в таблицу 1 [П.В.].

В настоящее время из-за большой насыщенности рынка телекоммуникаций, проблема выбора оборудования перестает быть чисто технико-экономической задачей и приобретает компонент, определяемый политикой в отношении поставщиков.

В данном дипломном проекте предлагаем использовать оборудование SDM-1 компании ECI Telecom (Израиль), так как данный участок является частью единной трассы зоновой сети Караганда-Каркаралы и на участке Караганда- Матак уже эксплутируется ( с 2008 года 4- квартала) данное оборудования.

На рисунке 1 изображена структурная схема синхронного мультиплексора SDM-1[П.В.].

Мультиплексор SDM-1 состоит из следующих секций (таблица 3.1):

Таблица 3.1- Секций мультиплексора SDM-1

Наименование секции	Конструктивное исполнение
TR #1 - TR #8	платы компонентных интерфейсов
ATR	две агрегатные платы передатчика/приемника, включающие: оптическую плату - ATRO и электрическую плату - ATRE;
SPU	два блока обработки SDH
MCP4	управляющий процессор мультиплексора (с модулем энергонезависимой памяти NVM);
COM	плата связи
AMU1	блок сигнальных уведомлений и обслуживания

Каждый SDM-1 представляет собой агрегат, размещающийся на одной полке, который может содержать от 21 до 63 компонентных интерфейсов со скоростью передачи 2 Мбит/с, три - 34 Мбит/с, три - 45 Мбит/с, один - 140 Мбит/с или один - 155 Мбит/с (STM-1), а также некоторые сочетания этих интерфейсов. Поскольку стандарт STM_1 допускает максимум 155 Мбит/с на агрегатную линию, то число поддерживаемых компонентных интерфейсов (с защитой) в тот или иной момент времени более ограничено: или 63 на 2 Мбит/с, три 34 Мбит/с, три 45 Мбит/с, один 140 Мбит/с, один целиком заполненный 155 Мбит/с, четыре частично заполненных 155 Мбит/с, или некоторое сочетание этих интерфейсов, в сумме не превышающих скорости STM-1.

Используя две агрегатных линии в незащищенном режиме, можно увеличить общее число поддерживаемых компонентных интерфейсов. Кроме того, обеспечиваемая SDM-1 дополнительная пропускная способность может служить целям динамического распределения в соответствии с меняющимися требованиями трафика.

Агрегатные интерфейсы обеспечивают доступ к линиям, соединяющим места установки различных SDM-1. Интерфейс работает со скоростью обмена SDH STM-1 (155,52 Мбит/с). При соединении с помощью волоконно-оптических кабелей одного SDM_1 с другой системой SDM_1, находящейся в удаленном месте, используются оптические агрегатные интерфейсы. На более коротких дистанциях при таком соединении вместо оптического можно использовать электрический агрегатный канал.

Для компонентных плат предусмотрено восемь слотов. Дополнительные платы могут дать возможность сэкономить на административных затратах, поскольку поставщик сети может разместить те или иные дополнительные платы в системе и вводить их в эксплуатацию по мере требований со стороны трафика.

SDM-1 контролируется и управляется посредством центрального процессора, который осуществляет связь с различными частями системы и с внешним миром. Программное обеспечение системы хранится на плате памяти, что позволяет часто и без затруднений обновлять программное обеспечение путем загрузки с удаленного источника. Программное обеспечение управления связью опирается на семиуровневую модель OSI, работающую в среде UNIX.

В условиях нормальной работы система синхронизируется по выбираемому источнику синхронизации. С этим источником связан управляемый напряжением кристаллический генератор, который вырабатывает сигнал внутреннего времени для SDM-1, а также время для линии передачи SDH. Этим источником может быть сигнал внешнего таймера, компонентный сигнал или сигнал линии SDH. Если источники синхронизации недоступны, SDM-1 способен поддерживать резервный режим со стабильностью 4,6 ppm (частей на миллион).

SDM-1 получает питание -48 или -60 В постоянного тока от внешней системы батарей. В структуре питания системы реализован принцип распределенной архитектуры, т.е. у каждой платы имеется свой встроенный источник питания. Благодаря этому в частично заполненных конфигурациях SDM-1 достигается низкая стоимость и низкое потребление энергии.

Важным свойством, последовательно реализованным в системе, является ее модульность. Как уже говорилось, все компонентные платы полностью взаимозаменяемы и потому могут устанавливаться в одни и те же слоты независимо от поддерживаемой ими скорости обмена.

Архитектура SDM-1 аналогична архитектуре SDM-4 компании ECI Telecom, что дает семейство продуктов, совместимых друг с другом и экономически эффективных с точки зрения обслуживания и запасных частей. Большинство плат взаимозаменяемы с платами SDM-4, что позволяет легко модифицировать систему.

Предложения по выбору хронирующих источников сети СЦИ приведена в конце пояснительной записки [П.Г.].

3.1.2 Предложение по выбору источника излучения и фотоприёмника

Существует два вида полупроводниковых источников излучения: светоизлучающие диоды и лазеры. Для ВОЛС на участке Матак-Каркаралы необходимо выбрать в качестве источника излучения лазер.

Лазер обладает высоким быстродействием, а также узкой шириной спектра излучения. Из семейства полупроводниковых лазеров лучше всего выбрать лазеры с распределенной обратной связью. Данные лазеры работают в одночастотным режиме, ширина спектра излучения менее 0,5 км. Температурная нестабильность длины волны излучения лазеров с распределенной обратной связью составляет величину около ОД км/к. Уровень выходного излучения, для лазеров высоко мощной версии, изменяется в пределах +3 до +6 дБ м.

В качестве фотоприемников в волоконно-оптических системах связи используют полупроводниковые p-i-n фотодиоды и лавинные фотодиоды. Эти приборы имеют малые размеры и достаточно хорошо стыкуются с волоконными световодами. В p-i-n фотодиодах каждый поглощенный фотон рождает одну пару «электрон-дырка». В лавинных фотодиодах происходит внутреннее усиление сигнала, поскольку они сконструированы таким образом, что в них образуется область с сильным электрическим полем Е(3*106 В/см). В таком поле электроны, генерируемые светом, ускоряются до энергии, достаточных для ударной ионизации атомов кристаллической решетки. Образующиеся в результате ионизации свободные носители также ускоряются и рождают новые пары. Такой лавинный процесс приводит к тому, что поглощение фотона порождает не одну электронно-дырочную пару, а десятки и сотни. Таким образом, используя лавинные фотодиоды высокочувствительной версии в качестве фотоприемников для проектируемой ВОЛС, можно изменять уровень входного сигнала от - 39 до -17 дБм.

Используя лазеры с распределенной обратной связью и лавинные фотодиоды можно получить достаточно большие участки регенерации, что позволить размещать НРП в населенных пунктах. В Республике Казахстан расстояние между населенными пунктами может составлять до 250 км. В этом случае энергетического запаса системы передачи может не хватить для перекрытия такого расстояния. В таких случаях возможно использование оптических усилителей и предусилителей.

Основным усиливающим элементом оптического оборудования является волоконно-оптический световод легированный эрбием. На рисунке 1 представлена функциональная схема оптического усилителя [П.Д.].

На рисунке 2 представлена функциональная схема оптического предусилителя. Входной оптический сигнал в месте с излучением лазера накачки поступает в световод, легированный эрбием, где происходит перераспределение световой энергии между излучениями [П.Д.].

Далее через оптический вентиль излучение поступает на полосовой оптический фильтр, настроенный на рабочую длину волны, где происходит удаление паразитных мод.

Уровень входного сигнала изменяется от -45 до -15 ДБ м. В случае использования оптического предусилителя в качестве фотоприемника используется лавинный фотодиод стандартной мощности. Уровень выходного сигнала изменяется от +12 до +15 дБм.

Оптический предусилитель используется в паре с оптическим усилителем, тогда как оптический усилитель может использоваться отдельно.

3.2 Вопросы сварки, измерения и соединения оптического волокна

Выше было сказано, что оптические кабели производятся определенной длины, которая называется строительной. Обычно она не превышает 4...5 км (для трансокеанских ВОЛС -- 50 км). Длина оптической линии связи в подавляющем числе случаев во много раз превышает строительную. Поэтому оптические кабели, проложенные, в канализации, грунте или подвешенные на опорах, необходимо соединять, т. е. 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 или склеивания.

Чтобы осуществить сварку или склеивание, оптическое волокно на длине примерно 1 мм от конца освобождают от защитной оболочки, после чего с помощью специального инструмента -- скалывателя производят скалывание волокна. Цель этой операции -- получить плоский торец, перпендикулярный оси 0В. Снятие защитной оболочки 0В, освобождение его из модуля ОК, очистку от гидрофобного геля и другие необходимые операции производят с помощью набора инструментов, размещенных в специальном чемодане -- кейсе.

Сварку волокон в торец производят в специальном сварочном аппарате. Современные сварочные аппараты для сварки ОВ автоматически осуществляют оптимальную взаимную юстировку ОВ, выбирают оптимальный режим сварки и осуществляют контроль потерь в месте сварки. Процесс сварки можно контролировать визуально в двух координатах на жидкокристаллическом дисплее. Перечисленные операции выполняет, например, сварочный аппарат производства фирмы FUJIKURA, представленный на рисунке 3.1.



Рисунок 3.1 -Сварочный аппарат производства фирмы FUJIKURA

Место сварки волокон закрепляется в специальном устройстве, представляющем собой термоусаживающуюся трубку с металлическим упрочняющим стержнем, или в специальном зажиме -- металлической V-образной скобе.

Соединенные таким образом оптические волокна размещаются в специальных кассетах, а они в свою очередь внутри специального контейнера, в котором также закрепляются концы ОК в тех участках, на которых не снята его защитная внешняя оболочка. Такой контейнер называется оптической муфтой. Имеются оптические муфты различных конструкций. На рисунке 3.2 представлена оптическая муфта производства FUJIKURA, на рисунке 3.3 -- оптическая муфта фирмы KRONE.

...