Проектирование волоконно-оптической линии связи на участке железной дороги

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

"РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА (МИИТ)»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Проектирование волоконно-оптической линии связи на участке железной дороги

«Проектирование, строительство и эксплуатация ВОЛС»



Введение

Организация всех связей для обеспечения оперативной работы дороги по магистральным кабельным линиям отличает железнодорожные кабельные линии от подобных им линий Министерства связи. Это вызвано большим количеством низкочастотных технологических связей и необходимостью их выделения в ряде пунктов как на станциях, так и на перегонах.

Перед железнодорожным транспортом нашей страны стоит задача обеспечения непрерывно растущих объемов перевозок народнохозяйственных грузов и пассажиров. Для этого необходимо повышать пропускную способность железнодорожных участков, скорость и массу поездов при одновременном повышении безопасности движения. Без сложной, разветвленной сети связи невозможно организовать интенсивный перевозочный процесс и оперативно управлять им.

Все шире используют волоконно-оптические кабели для цифровых систем передачи информации, каналы которых являются универсальными, способными передавать аналоговые (например, речевые) и кодированные дискретные сигналы.

Внедрение на транспорте систем перегонного регулирования движения поездов привело к необходимости увеличения числа цепей для устройств автоматики и телемеханики и перевода их в отдельный кабель СЦБ. Распространение электрической централизации стрелок и сигналов на станциях обусловило применение кабельных станционных сетей.

Дальнейший рост объема и скоростей перевозок на железнодорожном транспорте приводит к появлению новых видов связи, автоматики и телемеханики. Устройства автоматики и телемеханики должны становиться все более быстродействующими и надежными, а устройства связи -- обеспечивать возможность служебных переговоров с любым пунктом в данный момент с уменьшением времени ожидания соединения и ростом качества передачи сигналов. Как следствие этого, должно существенно возрастать число каналов передачи информации на железных дорогах.

Для обеспечения передачи большого объема информации необходимо использование новейших линий связи, так как на практике выявлено, что именно линейные сооружения вносят наибольшее затухание в сигналы связи, ухудшая тем самым качество передачи.

В соответствии с темой курсового проекта «Проектирование волоконно-оптической линии связи на участке железной дороги» целью проекта является обоснованный выбор оптического кабеля для построения волоконно-оптической линии и расчет основных параметров ВОЛС.

Для достижения цели в работе поставлены следующие задачи:

рассмотреть организацию передачи по волоконно-оптической линии связи;

произвести выбор оптического кабеля связи и распределение ОВ в кабеле;

рассчитать параметры световодов;

произвести расчет длин регенерационных участков и распределение НРП по трассе кабеля.

В курсовом проекте предусмотрен выбор оптимального волоконно-оптического кабеля связи с распределением оптических волокон, рассмотрена организация схемы связи по ВОЛС.



1. Задание на проектирование

оптический кабель трасса железный

На заданном двухпутном участке железной дороги О-Х с электротягой переменного тока напряжением 27 кВ предусмотреть строительство волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) с использованием подвески оптического кабеля (ОК) на опорах контактной сети.

Предусмотреть организацию по ВОЛС магистральной, дорожной связи, а также каналов связи для коммерческих нужд ОАО «РЖД» и дороги с использованием систем передачи синхронной цифровой иерархии (SDH).

Предусмотреть организацию по ВОЛС каналов оперативно-технологической связи, а также резервных каналов связи.

В проекте предусмотреть применение необслуживаемых регенерационных пунктов (НРП) на станциях участка в соответствии с расчетной длиной регенерационных участков.

В расчетно-пояснительной записке должны быть отражены технические решения по следующим вопросам:

выбор и краткое описание волоконно-оптических систем передачи;

выбор ОК и распределение оптических волокон (ОВ);

расчет параметров световодов;

расчет длин регенерационных участков и размещение НРП по трассе ВОЛС.

6. Пояснительная записка курсового проекта должна содержать следующие чертежи:

структурная схема ВОЛС;

распределения ОВ в кабеле;

схематический план трассы ВОЛС с размещенными на ней НРП.



2. Исходные данные

1. Схема двухпутного участка железной дороги О-Х представлена на рисунке 1. Данные об участке О-Х приведены в таблице 1.

2. Данные о необходимом количестве каналов (потоков данных) для магистральной и дорожной связи приведены в таблице 2, а для коммерческих нужд ОАО «РЖД» - в таблице 3. В этих же таблицах заданы типы мультиплексоров, с помощью которых следует организовать передачу потоков данных, а также условия использования оптических волокон со смещенной дисперсией.

Рисунок 1 - Схема двухпутного участка железной дороги О-Х

Таблица 1 - Сведения об участке О-Х

Вариант проекта (последняя цифра учебного шифра)	Расстояние между осями станций, км
	О-П	П-Р	Р-С	С-Т	Т-У	У-Ф	Ф-Х
0	42	17	29	63	66	26	21

Таблица 2 - Данные по организации магистральной и дорожной связи

Вариант проекта (предпоследняя цифра учебного шифра)	Количество каналов Е1	Наличие линейного резервирования по схеме «1+1»	Тип мультиплексора	Использование ОВ со смещенной дисперсией
0	510	-	STM-4	-



Таблица 3 - Данные по орг. связи для коммерческих нужд ОАО «РЖД»

Вариант проекта (последняя цифра учебного шифра)	Количество каналов Е1	Наличие линейного резервирования по схеме «1+1»	Тип мультиплексора	Использование ОВ со смещенной дисперсией
0	220	+	STM-1	+



3. Проектирование волоконно-оптической линии связи

3.1 Организация передачи по волоконно-оптической линии связи

Сейчас в качестве основного вида направляющей системы при новом строительстве и увеличении пропускной способности существующих линий повсеместно используется волоконно-оптический кабель. Волоконно-оптические кабели - один из наиболее перспективных видов сетевой кабельной продукции. Они с каждым днем получают все более широкое распространение, поскольку являются непревзойденными по характеристикам передачи и позволяют обеспечить высочайшую информационную емкость канала связи.

Совершенствование технологии производства волоконно-оптических кабелей, увеличение объемов их выпуска, а также отсутствие в конструкции дорогостоящих цветных металлов приводит к устойчивому снижению их стоимости. В настоящее время стоимость ВОК сопоставима, а в ряде случаев ниже стоимости магистральных симметричных кабелей связи. ВОК изготавливается с требуемыми заказчиком конструктивными и механическими характеристиками под конкретные условия прокладки и эксплуатации.

Стремительное внедрение в информационные сети всех уровней оптических линий связи является следствием преимуществ, вытекающих из особенностей распространения сигнала в оптическом волокне:

широкая полоса пропускания - обусловлена чрезвычайно высокой частотой 10 МГц. Это дает возможность передачи по одному оптическому волокну потока информации несколько гигабит в секунду;

малое затухание светового сигнала в волокне. Выпускаемое в настоящее время отечественными и зарубежными производителями промышленное оптическое волокно имеет затухание 0,2-0,3 Дб на длине волны 1,55 мкм в расчете на один километр;

низкий уровень шумов в волоконно-оптическом кабеле позволяет увеличить полосу пропускания путем передачи различной модуляции сигналов с малой избыточностью кода;

высокая помехозащищенность. Поскольку волокно изготовлено из диэлектрического материала, оно невосприимчиво к электромагнитным помехам со стороны окружающих линий, способных индуцировать электромагнитное излучение;

малый вес и объем. Волоконно-оптические кабели имеют меньший вес и объем по сравнению с медными кабелями в расчете на одну и ту же пропускную способность;

высокая защищенность от несанкционированного доступа;

гальваническая развязка элементов сети. Данное преимущество оптического волокна заключается в его изолирующем свойстве, волокно позволяет избежать электрических "земельных" петель. Поэтому, при прокладке волоконно-оптических линий в условиях повышенной опасности нет необходимости в соблюдении особых мер влагозащиты, и скропожаро - и взрывобезопасности;

длительный срок эксплуатации.

Оптические волокна производят различными способами и обеспечивают передачу оптического излучения на разных длинах волн, имеют различные характеристики и выполняют различные задачи.

Все оптические волокна делятся на две основные группы: многомодовые (MMF) и одномодовые (SMF). Многомодовое волокно имеет довольно большой диаметр сердцевины-50 или 62,5 мкм при диаметре оболочки 125 мкм.

В связи с тем, что в многомодовом волокне потери светового импульса достаточно велики, из-за явления дисперсии, и удешевления в последнее время производства одномодового кабеля и лазерных передатчиков, в настоящее время практически отказались от применения многомодовых ВОК на вновь строящихся и реконструируемых магистралях связи.

По дисперсии оптические волокна делятся на:

SSF - стандартное волокно с несмещенной дисперсией.

DSF - волокно со смещенной нулевой дисперсией.

NZDSF - волокно со ненулевой смещенной дисперсией.

Большая часть современных ВОЛС строится по схеме «точка-точка» и представляют собой цифровые системы передачи (ЦСП) с плезиохронной (PDH) или синхронной (SDH) иерархиями. Двухсторонняя связь осуществляется, как правило, по двум ОВ, расположенным в одном оптическом кабеле (ОК), то есть, используя известную терминологию для сетей, использующих электрические кабели, можно сказать, что схема связи двухволоконная, однополосная, однокабельная.

В цифровых ВОСП можно выделить линейный оптический тракт, который может работать на одной длине волны оптического излучения, рисунок 2.

Рисунок 2- Структурная схема одноканальной ВОЛС

Оборудование оконечных пунктов (ОП) линейного оптического тракта содержит:

Преобразователь кода (ПК1) каналообразующей аппаратуры в линейный код, который предотвращает появление длинных «единиц» и «нулей», приводящих к межсимвольным искажениям. а также обеспечивает устойчивое выделение тактовой частоты, необходимой для работы линейных регенераторов (ЛР)

Преобразователь кода (ПК2), выполняющий обратное преобразование кодов.

Источники излучения (ИИ) с усилителями накачки.

Фотоприемные устройства (ФП).

Для компенсации вносимого затухания в оптическом кабеле между точками S(передатчик) и R (приемник) используются регенерационные пункты (РП), которые восстанавливают ослабленный, искаженный и зашумленный сигнал. В состав РП помимо ИИ и ФП входят решающие устройства (РУ), определяющие характер принятого сигнала («единица» или «ноль»).

Точки TиT' являются точками стыка канала передачи цифрового группового тракта соответствующей цифровой иерархии с оптическим линейным трактом. Параметры цифровых групповых трактов в точках стыка нормированы с учетом рекомендаций Международного Союза электросвязи (МСЭ). В рекомендациях определены параметры входного и выходного сигналов в точках T и T', типы кодов, сопротивления нагрузок, скорости передачи в электрическом и оптическом трактах, максимально допустимый коэффициент ошибок, характеристики дрожания фазы.

Точки R и S являются оптическими стыками ВОСП. Оптические параметры отнесены для передатчика к точке S, для приемника к точке R, а длина оптического пути определяется расстоянием между точками S и R.

Отдельные строительные длины ОК (обычно 4 _ 6 км) соединяют сваркой в специальных муфтах.

Линейный регенератор преобразует ослабленный оптический сигнал в электрический, усиливает его, пропускает через пороговое устройство, где сигнал восстанавливается, и вновь преобразует электрический сигнал в оптический, который передается в ОК. При использовании одномодовых ОВ искажения формы оптических импульсов, проходящих по ОВ, минимальны. Это позволяет вместо линейных регенераторов использовать оптические усилители (ОУ), которые, не изменяя формы оптического сигнала, усиливают его по мощности.

Технология SDH- это стандарт для транспорта трафика, определяющий уровни скорости прохождения сигнала синхронного транспортного модуля (Synchronous Transport Module - STM) и физический (оптический) уровень, необходимый для совместимости оборудования от различных производителей. Основная скорость передачи - 155,250 Мбит/с (STM-1). Остальные, более высокие, скорости определяются как скорости, кратные STM-1, таблица 4.

Таблица 4- Иерархия скоростей SDH

Уровень SDH/СЦИ	Номинальная скорость передачи, Мбит/с	Примечание
STM-0 (STS-1)	51,84	Уровень STS-1 (SONET)
STM-1	155,52	ITU-T Рек. G.707
STM-4	622,08	ITU-T Рек. G.707
STM-16	2488,3	ITU-T Рек. G.707
STM-64	9953,3	ITU-T Рек. G.707
STM-256	39813	Применяется «де-факто»

Технология SDH предполагает использование метода временного мультиплексирования (TDM - Time-Division Multiplexing) и кросс-коммутации временных интервалов. При этом оконечное оборудование SDH оперирует потоками E1 (2,048 Mбит/с), к которым подключается клиентское оборудование. Основными устройствами сети являются мультиплексоры SDH.

Важной особенностью сетей SDH является необходимость синхронизации временных интервалов трафика между всеми элементами сети. Обычно мультиплексор может синхронизироваться с любым внешним сигналом, с опорным тактовым сигналом или с собственным внутренним генератором синхронизирующих импульсов. Синхронизация на основе опорного тактового сигнала может распространяться по цепи, в которой находится не более 20 сетевых элементов.

Выбор источника синхронизации может осуществляться либо автоматически под управлением программы, либо задаваться оператором.

Функционально мультиплексоры SDH имеют два набора интерфейсов: пользовательские и агрегатные. Пользовательский набор отвечает за подключение пользователей, а агрегатный - за создание линейных межузловых соединений.

Данные интерфейсы позволяют создавать следующие базовые топологии:

«кольцо»,

«цепочка»,

«точка-точка».

При построении сетей SDH обычно используется топология сети типа «кольцо» с двумя контурами. По одному из контуров передается синхронизирующая и сигнальная информация, по-другому - основной трафик. Имеются специальные механизмы резервирования сети на случай выхода из строя одного из контуров. Возможно также подключение устройств по топологии «точка-точка», однако в таком случае отказоустойчивость решения будет ниже.

Централизованное управление сетью обеспечивает полный мониторинг состояния каналов и узлов (мультиплексоров). Использование кольцевых топологий предоставляет возможность автоматического переключения каналов при любых аварийных ситуациях на резервный путь. Оборудование SDH предусматривает возможность резервирования линии и основных аппаратных блоков по схеме 1+1, при аварии автоматически переключая трафик на резервное направление. Это свойство значительно повышает надежность сети и позволяет проводить различного плана технологические работы без перерыва в предоставлении услуг.

Сеть на базе SDH способна обеспечивать транспорт для большинства существующих технологий высокоскоростной передачи информации по оптическим сетям (в том числе ATM и POS).

Из базовых элементов складывается топология всей сети мультиплексоров. Сложные сети обычно имеют многоуровневую структуру.

Первый уровень - оборудование доступа пользователей. Этот уровень состоит из оборудования «последней мили» и, как правило, мультиплексоров STM-1. Первое отвечает за доведение сигнала пользователей до мультиплексоров первого уровня. В роли оборудования «последней мили» обычно выступают так называемые оптические модемы, по сути являющиеся конвертерами электрического сигнала в оптический и обратно. Мультиплексоры данного уровня собирают каналы пользователей для дальнейшей транспортировки. Следующий уровень могут составлять мультиплексоры уровня STM-4 и STM-16.

Основными преимуществами технологии SDH являются:

простая технология мультиплексирования / демультиплексирования;

доступ к низкоскоростным сигналам без необходимости мультиплексирования / демультиплексирования всего высокоскоростного канала, что позволяет легко осуществлять подключение клиентского оборудования и производить кросс-коммутацию потоков;

наличие механизмов резервирования на случай отказов каналов связи или оборудования;

возможность создания «прозрачных» каналов связи, которые необходимы для решения определенных задач (например, передачи голосового трафика между выносами АТС или передачи телеметрии);

возможности наращивания решения;

совместимость оборудования от различных производителей;

относительно низкая стоимость оборудования;

быстрота настройки и конфигурирования устройств.

К недостаткам технологии SDH можно отнести:

неэффективное использование пропускной способности каналов связи (необходимость резервирования полосы на случай отказов, неспособность динамически выделять полосу пропускания под различные приложения);

ограниченные возможности по масштабированию сети.

По условию курсового проекта нужно организовать 510 каналов без резервирования для магистральной и дорожной связи с использованием оборудования SТM-4, и 220 каналов с резервированием для коммерческих нужд ОАО «РЖД» с использованием оборудования SТM-1.

Произведем выбор оборудования с использованием сравнительных характеристик синхронных мультиплексоров ввода/вывода, таблица 5.

Таблица 5. Сравнительные характеристики синхронных мультиплексоров ввода/вывода

Параметры мультиплексоров	Название фирмы
	Alcatel	ECI	Lucent Technologies	Nortel	Siemens
Синхронные мультиплексоры - STM-4
Тип оборудования	1650SM	SDM-4	ADM 4/1(AM155)	TN-4X,-4XE	SMA-4 R4
Трибные интерфейсы, Мбит/с	1,5/2,34/45, 140, 155	2,34, 140, 155	2,34, 140	2,34/45, 140, 155	2,34, 140, 155
Максимальная нагрузка на мультиплексор	252x2/6x 34	288x2/18x34	126x2/3x34	252x2/6x 34/4x 140	252x2/24x 34
Агрегатные интерфейсы: типы (число)	2xSTM-1 /4	2xSTM-4	2xSTM-1/4	2xSTM-1 /4	2xSTM-1/4
Тип/схема защищенного режима	1:1, 1+1/SNCP	1:1, 1+1/MSP	1:1,1+1/MSP	1:1,1+1/ SNCP	1+1/SNCP/MS-SPRinq
Параметры мультиплексоров	Название фирмы
	Alcatel	ECI	Lucent Technologies	Nortel	Siemens
Синхронные мультиплексоры - STM-1
Тип оборудования	1640FOX	SDM-1	ADM 4/1(AM155)	TN-1X,-1X/4	SMA-1 R2
Трибные интерфейсы, Мбит/с	2, 34, 140, 155	2, 34, 140,	2,34, 140	2, 34, 155	2,34, 140, 155
Максимальная нагрузка на мультиплексор	63x2/3x 34	96x2/6x34/ 4x140	126x2/3x34	63x2/3x 34/ 45	126/252x2
Агрегатные интерфейсы: типы (число)	2xSTM-1	2xSTM-1	2xSTM-1/4	2xSTM-1 /4 (1,2)	2xSTM-1
Тип/схема защищенного режима	1:1, 1+1/SNCP	1:1, 1+1	1:1,1+1/MSP	1:1,1+1/ SNCP	1:1,1+1/MSP, SNCP

Для организации связи выбираем аппаратуру типа SDM-4 фирмы ECI и ADM фирмы Lucent Technologies.

Для организации 510 каналов без резервирования для магистральной и дорожной связи с использованием оборудования SТM-4 фирмы ECI, позволяющего организовать 288 каналов, необходимо 2 комплекта оборудования и 4 ОВ, т.к. резервирование не требуется.

Для организации 220 каналов для коммерческих нужд ОАО «РЖД» с использованием оборудования ADM 4/1(AM155) фирмы Lucent Technologies необходимо 2 комплекта, т.к. один комплект способен организовать 126 каналов (126х2=252 канала) и с учетом необходимости резервирования нужно 8 оптических волокон. Полученные данные сведем в таблицу 6.

Таблица 6 - Выбор оборудования

Тип мультиплексора	Фирма	Тип оборудования	Требуемое количество мультиплексоров	Требуемое число ОВ
			всего	В том числе	всего	В том числе
				Для магистральной и дорожной связи	Для коммер-ческих нужд		Для магистральной и дорожной связи	Для коммер-ческих нужд
SТM-4	ECI	SDM-4	2	2		4	4
STM-1	Lucent Technologies	ADM 4/1(AM155)	2		2	8		8
Итого:	-	-	4			12

Также в курсовом проекте следует предусмотреть 6 ОВ для оперативно-технологической связи и 4 ОВ в качестве резервных. Таким образом, потребуется всего 22 ОВ.

3.2 Выбор оптического кабеля связи и распределение ОВ в кабеле

В современных условиях на железнодорожном транспорте, в основном, применяются ВОЛС железнодорожной связи с подвеской ОК на опорах контактной сети и высоковольтных линий автоблокировки.

Технология подвески ВОЛС эффективна в условиях железнодорожного транспорта, так как железная дорога представляет готовую систему для воздушной подвески ОК на опорах контактной сети и высоковольтных линии автоблокировки. Для этого используют специальные марки оптического кабеля, например, кабель марки ОКМС фирмы «Трансвок».

Технические характеристики кабеля ОКМС представлены в таблице 7.

Таблица 7-Технические характеристики кабеля ОКМС

Количество оптических волокон в кабеле	2 - 144 шт
Максимальное количество оптических волокон в одном модуле	12 шт
Номинальный диаметр кабеля	11,8 - 23,7 мм
Температура эксплуатации	- 60 …+70 0С
Температура монтажа	не ниже -10 0С
Температура транспортировки и хранения	- 60…+70 0С
Нормированная cтроительная длина	не менее 4,0 км
Расчетная масса кабеля	114 - 488 кг/км
Допустимое растягивающее усилие	3,0 - 30,0 кН
Допустимое раздавливающее усилие	не менее 0,25 кН/см
Минимальный допустимый радиус изгиба	20 Dкабмм
Срок службы	не менее 25 лет

ОКМС - Оптоволоконный кабель с силовыми элементами из специальных высокопрочных нитей.

Описание и расшифровка оптического кабеля ОКМС: ОК - Оптический кабель; М - Магистральный; C - Самонесущий

Внешний вид кабеля ОКМС представлен на рисунке 3.

Рисунок 3-Внешний вид кабеля ОКМС

Конструкция оптического кабеля ОКМС:

1. центральный силовой элемент; 2. оптическое волокно; 3. оптический модуль; 4. гидрофобный заполнитель; 5. заполняющий модуль; 6. бандажная лента; 7. Внутренняя оболочка; 8. армидные упрочняющие нити; 9. внешняя оболочка

Для реализации заданий курсового проекта выберем кабель марки ОКМС-6(2,0)СП-24(2) (4,0КН). Трансвок ОКМС-6(2,0)Сп-24(2) (4,0кН) - волоконно-оптический кабель 9.5/125 одномодовый, 24 волокна, магистральный, самонесущий, со стеклонитями, с двумя оболочками, для подвески на опорах контактной сети, черный.

Кабели волоконно-оптические для внешней прокладки, магистральные, самонесущие, со стеклонитями, с двумя оболочками, для подвески на опорах контактной сети.

Марку оптических волокон выберем исходя из того, что есть необходимость использования волокон со смещенной дисперсией, и в соответствии со следующими стандартами:

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

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

Для реализации условий проекта выбраны ОВ типа SМF-28 и LEAF (последние - со смещенной дисперсией), предназначенные для работы одновременно во втором и третьем окнах прозрачности,

Для мультиплексора SТМ-1 с работой по схеме «1+1» предназначено 8 ОВ, для SТМ-4 - 4 оптических волокна, причем для аппаратуры SТМ-4 используются волокна стандарта G.655, т.е. со смещенной дисперсией.

Распределение оптических волокон представлено в таблице 8.

Таблица 8 - Распределение ОВ в кабеле марки ОКМС-6(2,0)Сп-24(2) (4,0кН)

Номер волокна в кабеле	Номер модуля цвет маркировки	Марка оптических волокон	Номер волокна в модуле	Примечание
1,2	I красный	SМF-28	1,2	STM-1
3,4			3,4	STM-1
5,6	II зеленый	SМF-28	1,2	STM-1
7,8			3,4	STM-1
9,10	III натуральный	LEAF	1,2	STM-4
11,12			3,4	STM-4
13,14	IV красный	SМF-28	1,2	Оперативно-технологическая связь
15,16			3,4	Оперативно-технологическая связь
17,18	V натуральный	SМF-28	1,2	Оперативно-технологическая связь
19,20			3,4	Резерв
21 22 23 24	VI	SМF-28	1,2	Резерв
		-	3,4	-

3.3 Расчет параметров световодов

В таблице 9 представлены данные, необходимые для теоретического расчета параметров световодов. Расчет собственного затухания оптического волокна выполним на длине волны = 1,31 мкм и = 1,55 мкм.

Таблица 9 - Данные для расчета параметров оптического волокна

Вариант проекта (предпоследняя цифра учебного шифра)	0
Строительная длина ОК, км	4
Номер окна прозрачности для теоретического расчета дисперсии	4

В соответствии с исходными данными рассчитаем собственное затухание ОВ (с), а также дисперсию D оптического волокна для третьего окна (1525 нм - 1565 нм) прозрачности.

Произведем расчет затухания световодов.

Важнейшим параметром световода является затухание передаваемой энергии. Для заданных значений скорости передачи информации и вероятности ошибки мощность на входе фотодетектора должна быть больше некоторой величины. Потери наряду с дисперсией определяют длину регенерационного участка ВОЛС, то есть, расстояние, на которое можно передавать сигнал без усиления.

Затухание поглощения, п связанное с потерями на диэлектрическую поляризацию, линейно растет с частотой и существенно зависит от свойств материала световода tg.

Расчет затухания поглощения, дБ/км:



(1)

где n - групповой показатель преломления;

- длина волны, мкм;

tg=0,410-11 - тангенс угла диэлектрических потерь в световоде.

При длине волны 1,31мкм затухание поглощения будет равно:

При длине волны 1,55мкм затухание поглощения будет равно:

Потери на рассеяние определяют нижний предел потерь, присущих волоконным световодам. Потери с увеличением длины волны уменьшаются. Рассеяние обусловлено неоднородностями материала волоконного световода, размеры которых меньше длины волны, а также тепловой флуктуацией преломления.

Различают линейное и нелинейное рассеяние. При линейном рассеянии его мощность пропорциональна мощности падающей волны. В этом случае происходит частичное изменение потока энергии.

Потери на рассеяние, возникающие в результате флуктуации показателя преломления, называются рэлеевским и определяются по формуле, дБ/км,

(2)



где - длина волны, мкм;

Rр - коэффициент рассеяния, зависит от материала ОВ,

Rр = 0,7 - 0,9[(мкм4дБ)/км].

Потери на рассеяние при длине волны 1,31мкм равны:

Потери на рассеяние при длине волны 1,55мкм равны:

Другими факторами, которые вносят вклад в общие потери, могут быть потери, вызванные механическими, конструктивными и эксплуатационными факторами при использовании волокна, а именно:

потери, вызванные наличием в материале волоконного световода посторонних примесей;

потери, вызванные различными дефектами при соединении волокон:

несогласованностью размеров сердцевины волокон и ее эксцентриситетом;

различием профилей показателей преломления волокон;

несоосностью и скрещиванием продольных осей при соединении волокон;

различием апертур волокон;

неплоскостностью и плохой обработкой торцев волокон;

неплотным соединением концов с образованием воздушной прослойки (потери на френелевское отражение);

потери, вызванные микро- и макроизгибами волокна;

потери, вызванные рассеянием на границе между сердцевиной и оболочкой.

Характер зависимости наиболее важной составляющей этих потерь - потерь от посторонних примесей рассеяния на микроизгибах пр - имеет вид:

(3)

где Сми - постоянная потерь на микроизгибах; для =1,31 мкм Сми=10-7; для =1,55 мкм Сми=0,810-7;

NA - числовая апертура.

Потери от посторонних примесей рассеяния на микроизгибах пр при длине волны 1,31 мкм равно:

Потери от посторонних примесей рассеяния на микроизгибах пр при длине волны 1,55 мкм равно:

Суммарное значение собственного затухания оптического волокна в общем случае рассчитаем по формуле:

(4)

где - коэффициент затухания в инфракрасной области, расположенной в диапазоне длин волн свыше 1,6 мкм (для заданных длин волн не рассчитывается).

Суммарное значение собственного затухания оптического волокна при длине волны 1,31 мкм будет равно:

Суммарное значение собственного затухания оптического волокна при длине волны 1,55 мкм будет равно:

Произведем расчет дисперсии световодов.

Модовая дисперсия объясняется наличием большого числа мод, каждая из которых распространяется со своей скоростью. Результирующее значение уширения импульсов за счет модовой мод, материальной мат и волновой вв дисперсий

(6)

Данная формула справедлива для многомодовых световодов. В одномодовых световодах отсутствует модовая дисперсия. Здесь проявляются волновая и материальная дисперсии:

(7)

Дисперсия проявляется по-разному в различных типах волоконных световодов. В ступенчатых световодах при многомодовой передаче доминирует модовая дисперсия, достигающая значений порядка 102-107 нс/км. В одномодовых световодах волновая и материальная дисперсии практически равны по абсолютной величине и противоположны по фазе. В силу этого происходит их взаимная компенсация и результирующая дисперсия

при =1,2 - 1,7 мкм не превышает 1 нс/км.

В градиентных световодах происходит выравнивание времени распространения различных мод, и определяющим является дисперсия материала, которая уменьшается с увеличением длины волны.

В соответствии с заданием, дисперсия D [(пс/(нмкм)] на длине волны 1550 нм для 3 и 4 окна прозрачности (см. табл. 8) может быть рассчитана, используя линейную интерполяцию и граничные значения указанного параметра:

(8)

где и значения дисперсии на границах окна (правой и левой соответственно);

правая граница соответственно третьего или четвертого окон прозрачности, нм;

ширина соответствующего окна прозрачности, нм.

По условию задания расчет дисперсии D оптического волокна произведем для четвертого окна (от 1565 до 1620 нм,) прозрачности.

Подставим значения и рассчитаем дисперсию:

Полученные результаты расчета показателей ; ; ; и сведены в таблицу 10.

Таблица 10- Результаты расчета

Длина волны, мкм	показатель
	, дБ/км	, дБ/км	, дБ/км	, дБ/км	, пс/(нм км)
1,31	0,16	0,27	0,0207	0,45	9,36
1,55	0,10	0,138	0,0166	0,25	10,28



4. Расчет длин регенерационных участков и распределение НРП по трассе кабеля

Для расчета максимального допустимых значений длин регенераторных участков для различных типов используемого оборудования и параметров регенерационных участков воспользуемся информацией, представленной в таблице 11.

Таблица 11 - Классификация стандартных оптических интерфейсов

Использование	Внутри станции	Между станциями
		Короткая секция	Длинная секция
Длина волны источника, нм	1310	1310	1550	1310	1550
Тип волокна	Rec.G.652	Rec.G.652	Rec.G.652	Rec.G.652	Rec.G.652 Rec.G.655	Rec.G.653
Расстояние (км)а)	2	~ 15	~40	~80
Уровни STM	STM-1	1-1	S-1.1	S-1.2	L-1.1.	L-1.2	L-1.3
	STM-4	1-4	S-4.1	S-4.2	L-4.1	L-4.2	L-4.3
	STM-16	1-16	S-16.1	S-16.2	L-16.1	L-16.2	L-16.3

По условию курсового проектирования использованы только длинные L-секции. В проекте используются волокна стандарта G.655 и G.652 для аппаратуры SТМ-4, поэтому используем секции L-4.1 и L-4.2, для длины волны 1310 и 1550 нм. Максимально допустимые потери на секцию приведены в таблице 12.

Таблица 12- Максимально допустимые потери на секцию

Тип секции	L-1.1	L-4.2
Максимально допустимые потери на секцию, дБ	28	29,5

Исходя из расчетов и табличных данных, определим два максимальных значения собственного затухания оптического волокна: с1 - на длине волны 1,31 мкм и с2 - на длине волны 1,55 мкм. По расчетам было получено собственное затухание с1 =0,45 дБ/км при длине волны 1,31 мкм и с2 =0,25 дБ/км при длине волны 1,55 мкм.

По табличным данным для волокон SMF-28 и LEAF соответствуют затухания для длины волны 1,31 мкм: 0,4 дБ/км и 0,5 дБ/км, и для длины волны 1,55 мкм: 0,3 дБ/км и 0,25 дБ/км Выбирая максимальное из трех значений для 1,31 мкм и 1,55 мкм, получаем, таблица 13.

Таблица 13- Значения параметров секций

Значения параметров	Тип секции
	L-1.1	L-4.2
А, дБ/км	28	29,5
с, дБ/км	0,5	0,3

В соответствии с этими исходными данными рассчитаем максимально возможные длины соответствующих регенерационных участков lру1-lру2, км

(9)

где А - максимально допустимые потери на участок , дБ;

р - затухание разъемного соединения, дБ, р = 0,3-0,5 дБ;

п - количество разъемных соединителей, п=2;

Аз- эксплуатационный запас на затухание кабеля с учетом будущих изменений его конфигурации, дБ, Аз=4-6 дБ;

с, - километрическое затухание одномодового ОВ на расчетной длине волны, дБ;

- увеличение затухания ОВ при температуре воздуха ниже -40С,

не превышает 0,05 дБ;

нр - затухание неразъемного (сварного) соединения, нр не должно превышать 0,1 дБ;

Lсд - строительная длина кабеля , км;

m - количество промежуточных вводов магистрального кабеля на регенерационном участке (предварительно m=2).

Для длины волны 1,31мкм расчеты следующие:

Для длины волны 1,55мкм расчеты следующие:

Результаты расчетов представлены в таблице 14.

Таблица 14 - Результаты расчета

Тип секции	L-1.1	L-4.2
lру, км	42,96	65,87

Произведем выбор регенерационных участков и внесем параметры регенерационных участков в таблицу 15.

Таблица 15 - Параметры регенерационных участков

Наименование участка	Система передачи	Длина участка, км	Длина волны, нм	Тип интерфейса	Затухание участка, дБ	Энергетический потенциал аппаратуры, дБ	Эксплуатационный запас по затуханию, дБ по проекту
1	2	3	4	5	6	7	8
О-П	STM-1	42	1310	L-1.1	28,55	28	-0,55
	STM-4		1550	L-4.2	20,15	29,5	9,35
П-Р	STM-1	17	1310	L-1.1	15,18	28	12,82
	STM-4		1550	L-4.2	10,78	29,5	18,72
Р-С	STM-1	29	1310	L-1.1	21,08	28	6,92
	STM-4		1550	L-4.2	15,28	29,5	14,22
С-Т	STM-1	63	1310	L-1.1	40,62	28	-12,62
	STM-4		1550	L-4.2	28,03	29,5	1,47
Т-У	STM-1	66	1310	L-1.1	42,35	28	-14,35
	STM-4		1550	L-4.2	29,15	29,5	0,35
У-Ф	STM-1	26	1310	L-1.1	19,35	28	8,65
	STM-4		1550	L-4.2	14,15	29,5	15,35
Ф-Х	STM-1	21	1310	L-1.1	16,48	28	11,52
	STM-4		1550	L-4.2	12,28	29,5	17,22

Разместим НРП по трассе ВОЛС, и составим схему трассы ВОЛС, рисунок 4.

Рисунок 4- План трассы ВОЛС

Рассчитаем затухание , дБ для каждого регенерационного участка и эксплуатационный запас по затуханию, дБ.

Для расчета затухания участка воспользуемся формулой (9). При этом неизвестной величиной будет являться параметр А (в данном случае - затухание участка, дБ). Величина Lру- это длина участка; величина m будет соответствовать числу промежуточных станций на рассматриваемом регенерационном участке; остальные параметры использовались при расчете в шаге 1.

Расчет затухания участка, дБ произведем по формуле (10):

Произведем расчет затухания на участках при длине волны 1310нм.

Произведем расчет затухания на участках при длине волны 1550нм.

Согласно условия передачи энергетический потенциал аппаратуры должен быть больше затухания на участке , дБ: . Проверим данное условие при работе на длине волны 1310нм:

Проверим данное условие при работе на длине волны 1550нм:

Как видно, при работе на длине волны 1310нм на двух участках условие передачи не выполняется, то есть, энергетический потенциал аппаратуры меньше затухания на участке, и поэтому на этих участках необходимо предусмотреть установку усилителей. Либо предусмотреть работу на длине волны 1550нм.

При работе на длине волны 1550 нм условие на каждом участке выполняется. Полученные данные внесем в таблицу Значения эксплуатационного запаса по затуханию, дБ рассчитаем, как разность энергетического потенциала аппаратуры, дБ и полученного затухания участка, дБ и внесем в таблицу 15.

Таким образом, в результате теоретического анализа построения ВОЛС для каналов связи ОАО «РЖД» с использованием систем передачи синхронной цифровой иерархии SDH и расчетов параметров волоконно-оптического кабеля рассмотрены поставленные в работе задачи..



Заключение

В курсовом проекте рассмотрено строительство волоконно-оптической линии связи с использованием подвески оптического кабеля на опорах контактной сети.

В процессе решения поставленных задач курсового проектирования предусмотрена организация по ВОЛС магистральной, дорожной связи, а также каналов связи для коммерческих нужд ОАО «РЖД» и дороги с использованием систем передачи синхронной цифровой иерархии (SDH).

В работе произведем выбор необходимого оборудования для организации магистральной и дорожной связи, а также - для коммерческих нужд ОАО «РЖД»- это оборудование типа SDM-1 и SDM фирмы ECI.

В процессе выполнения работы был произведен выбор ОК и распределение оптических волокон (ОВ).

В расчетной части произведены расчеты параметров световодов и длин регенерационных участков.



Список использованной литературы

Направляющие системы электросвязи: Учебник для вузов. В 2-х томах. Т.2 - Проектирование, строительство и техническая эксплуатация / В. А. Андреев, А. В. Бурдин, Л. Н. Кочановский и др.; Под ред. В. А. Андреева. - 7-е изд., перераб. и доп. - М.: Горячая линия - Телеком, 2010 - 424 с.

Родина О.В. Волоконно-оптические линии связи. Практическое руководство - М.: Горячая линия - Телеком, 2014. - 400 с.

ГОСТ Р 54720-2011 Национальный стандарт Российской Федерации. Правила подвески самонесущего волоконно-оптического кабеля на опорах контактной сети железной дороги и линий электропередачи напряжением выше 1000 В - М.: Стандартинформ, 2012.

"СО 153-34.48.519-2002. Правила проектирования, строительства и эксплуатации волоконно-оптических линий связи на воздушных линиях электропередачи напряжением 0,4 - 35 кВ" (утв. Минэнерго России 27.12.2002, Минсвязи России 24.04.2003) - М.: ЦПТИ ОРГРЭС, 2004 - 54 с.

Нормы приемо-сдаточных измерений элементарных кабельных участков магистральных и внутризоновых подземных волоконно-оптических линий передачи сети общего пользования, утвержденные приказом Госкомсвязи от 17.12.1997 №97 - 11 с.

...