Кабель оптический связь волокно трасса

Введение

 

Оптоволоконная сеть обеспечивает наибольшие на сегодняшний день скорости, что дает хороший повод к развитию технологий передачи данных по оптоволокну. Пропускная способность может достигать порядка Терабит (1000 гигабит) в секунду. Если сравнивать с другими способами передачи информации, то порядок величин Тбит/с просто недостижим. Еще один плюс таких технологий — это надежность передачи. Передача по оптоволокну не имеет недостатков электрической или радиопередачи сигнала. Отсутствуют помехи, которые могут повредить сигнал, и нет необходимости лицензировать использование радиочастоты.

Вкратце о принципе оптического волокна и о том, как по нему передается информация. Оптоволокно - это волновод, по которому распространяются электромагнитные волны с длиной волны порядка тысячи нанометров. Это область инфракрасного излучения, невидимого человеческим глазом. За счет эффекта полного отражения света, можно заставить луч "гулять" внутри ограниченной замкнутой среды, проделывая путь от источника сигнала до его приемника. Однако для этого необходимо две среды с разной плотностью. Чаще всего в их качестве применяются кварцевые стекла различной плотности. Волну впускают в более плотную среду, ограниченную менее плотной. Среды вытягивают в так называемое оптическое волокно, сердцевину которого составляет более плотное стекло, в разрезе представляющее окружность и часто называемого световодом. Данный сердечник покрывают оболочкой из менее плотного стекла, при достижении которого транспортируемый сигнал будет полностью отражаться. Для предотвращения механических повреждений конструкция также снабжается защитной оболочкой, именуемой первичным покрытием. Для достижения сигналом адресата, необходимо впускать в сердцевину лучи под углом к боковой поверхности не менее критического. В этом случае реализуется эффект полного отражения, и теоретически луч никогда не покинет сердечника кроме как через окончание волокна. Однако на практике все же существует некоторый процент преломляемых лучей. Это связано, во-первых, со сложностью реализации подобного источника света, во-вторых, с невозможностью изготовления идеально ровного волокна, и, в-третьих, с неидеальной инсталляцией оптического кабеля.

Итак, при определенном подборе материала волокна и его диаметра возникает ситуация, когда для некоторых длин волн эта среда становится почти прозрачной и даже при попадании на границу между волокном и внешней средой большая часть энергии отражается обратно внутрь волокна. Тем самым обеспечивается прохождение излучения по волокну без особых потерь, и основная задача - принять это излучение на другом конце волокна. Материал волновода - это уникальная разработка и от его свойств зависит качество передачи данных и уровень помех; изоляция волновода разработана с учетом того, чтобы выход энергии наружу был минимален.

В целом существуют два типа оптоволоконных кабелей: многомодовые и одномодовые. В многомодовом волокне относительно большой размер сердечника позволяет свету распространяться под различными углами. В результате для этого типа кабеля характерно сильное ослабление сигнала. В одномодовом волокне размер сердечника настолько мал, что существует единственный путь распространения световой волны. Для одномодового волокна характерны высокая пропускная способность и малое затухание.

В современных оптоволоконных технологиях используются три длины волны – 850 нм, 1300 нм и 1500 нм. Наиболее качественной и высокоскоростной связью обладают каналы на основе волн длиной 1500 нм. Однако оконечное оборудование, способное работать на данной длине волны значительно дороже и предполагает применение только лазерных источников света. Поэтому зачастую возникает проблема оценки экономической целесообразности применения подобных сетей. Рабочая длина волны 850 нм наиболее характерна для многомодовых волокон, тогда как одномодовые волокна применяются для волн длиной на 1500 нм. 

Полностью оптоволоконные линии - это возможный, но на сегодняшний день абсолютно неоправданный по денежным затратам вариант. Дело в том, что использование волокна для конечной разводки по абонентам чрезвычайно дорого и имеет потенциальные возможности, которые абсолютно не будут востребованы.

Смешанные оптико-кабельные сети (чаще оптико-коаксиальные сети) (Hybrid Fiber-Coax, HFC) - наиболее совершенные в смысле пропускной способности в настоящее время широкополосные сети передачи данных. Оператор получает возможность предоставлять абонентам и стандартные базовые услуги (стандартные аналоговые ТВ-каналы), и такие кажущиеся очевидными и необходимыми сервисы, как платное аналоговое и цифровое телевидение, телефонная связь, доступ в Интернет. В этом случае оптоволокно прокладывается до группы домов, а далее до абонентов идет разводка коаксиальным кабелем. Сопрягаются эти части при помощи оптического распределительного узла.

Оптоволоконные сети безусловно являются одним из самых перспективных направлений в области связи. Пропускные способности оптических каналов на порядки выше, чем у информационных линий на основе медного кабеля. Кроме того оптоволокно невосприимчиво к электромагнитным полям, что снимает некоторые типичные проблемы медных систем связи. Оптические сети способны передавать сигнал на большие расстояния с меньшими потерями. Несмотря на то, что эта технология все еще остается дорогостоящей, цены на оптические компоненты постоянно падают, в то время как возможности медных линий приближаются к своим предельным значениям и требуют все больших затрат на дальнейшее развитие этого направления.

кабель оптический связь волокно трасса

 

1. Выбор трассы

 

Ориентировочный объем прокладки кабеля в канализации в пределах 3-4 км на каждый областной центр с населением примерно 500 тыс. жителей, расположенный по трассе. При более крупных и менее крупных населенных пунктах соответственно изменяется и протяженность канализации.

Из общей протяженности канализации (40-50) % принимается как существующая.

Из остальной протяженности трассы (5-10) % предусматривается на прокладку кабеля вручную, а остальная часть прокладывается кабелеукладчиком.

Вариант №1: Атырау - Доссор – Макат – Мукыр – Сагыз – Ногайты – Байганин – Шубаркудук – Кандыагаш – Алга – Актобе. Протяженность равна 604 км.

 

Рис.1 Вариант трассы №1

 

 

Расчёт расстоянии

 

Расчёт расстоянии Рис.2

 

Вариант №2: Атырау – Махамбет – Кулагино – Ельтай – Индербор – Актобе – Корабау – Каскайрат – Миялы – Коптогай – Ойыл – Кемер – Кобда Актобе. Протяженность равна 818 км.

 

Рис.3 Вариант трассы №2

 

Таблица №2 Характеристика вариантов трассы.

Характеристика трассы	Ед.Измер.	Количество единиц по вариантам
		вариант.№ 1	вариант.№ 2
1.0бшая протяженность трассы: вдоль автомобильных дорог; вдоль грунтовых дорог, бездорожье.	Км	604 604 -	818 818 -
2.Способы прокладки кабеля: кабелеукладчиком; вручную; в канализации.	Км	588 1 15	798,5 1,5 18

При расчете прокладываемого ВОК необходимо предусмотреть запас с учетом неровности местности, выкладки кабеля в котлованах, колодцах и др. Норма расхода BОK на 1 км трассы приведена в таблице 3.

 

Таблица №3 Нормы расхода волоконно-оптического кабеля

	Количество кабеля на 1 км трассы, км
В грунт Через водные преграды В кабельной канализации	1,04 1,14 1,057

 

Оптимальным является вариант №1, т.к. эта трасса обладает наименьшей протяжённостью, содержит наименьшее количество речных и железнодорожных переходов, а также наименьшее количество переходов через автомобильные дороги, так же ставится меньше обслуживаемых регенерационных пунктов.

На населенных пунктах

В городах и крупных населенных пунктах ВОК, как правило, прокладывается в телефонной кабельной канализации или в коллекторах. При наличии метро кабели могут прокладываться в его тоннелях.

При отсутствии в канализации свободных каналов в проектах нужно предусмотреть строительство новой или докладку каналов в существующей кабельной канализации.

При выборе трассы кабельной канализации нужно стремиться к сокращению числа пересечений с уличными проездами, с автомобильными и железными дорогами. Трасса кабельной канализации должна проектироваться на уличных и внутриквартальных проездах с усовершенствованным покрытием.

Минимально допустимое заглубление трубопроводов кабельной канализации в середине пролета представлено в таблице 4.

 

Таблица.№4 Минимальные значения заглубления трубопроводов

Материал труб	Под пешеходной частью улиц, м	Под проезжей частью улиц, м	Под электр., железнодорожными, трамвайными путями, от подошвы рельс, м
Асбоцемент Полиэтилен Сталь	0,4 0,4 0,2	0,6 0,6 0,4	1,0 1,0 -

 

Смотровые устройства (колодцы) кабельной канализации проектируются;

• проходные — на прямолинейных участках трасс, в местах поворота трассы не более чем на 15 градусов, а также при изменении глубины заложения трубопровода;
• угловые — в местах поворота трасс более чем на 15 градусов; разветвительные — в местах разветвления трассы на два (три) направления;
• станционные — в местах ввода кабелей в здания телефонной станции.

Типы смотровых устройств (колодцев) определяются емкостью вводимых труб или блоков с учетом перспективы развития сети. Расстояние между колодцами не должно превышать 150 м. В проектах рекомендуется предусматривать типовые железобетонные колодцы.

 

 

 

 

 

2. Выбор системы передачи

 

Исходя из числа каналов (nаб=7267 шт.), выбираем аппаратуру уплотнения Сопка – 5 в количестве, равном 1.

Аппаратура линии передачи ВОСП -7680 предназначена для работы на магистральной первичной сети и обеспечивает передачу всех видов информации в цифровой форме. Аппаратура позволяет организовать по одному ЛТ 7680 каналов ТЧ или OЦК, предусмотрена возможность дополнительного введения или выведения четырех цифровых потоков со скоростью 2,048 Мбит/с как на ОП, ОРП (ПОРП), так и на каждом НРП.

Для работы с аппаратурой Сопка-5 используется типовое цифровое канало-образуюшее и временного группообразования оборудование, обеспечивающее образование типовых цифровых трактов.

 

Таб№1 Основные технические характеристики системы Сопка-5

Скорость передачи информационного сигнала, Мбит/с	4x139,264
Скорость передачи линейного сигнала, Мбит/с	668,4672
Код линейного сигнала	4x10В1Р1R
Код сигнала на стыке со станционным оборудованием группообразования	СМI
Коэффициент ошибок на длине линейного тракта 830 км, не более	0.000000001
Коэффициент ошибок на один регенератор, не более	5*0.00000000001
Выходная мощность источника излучения, дБ	-3
Энергетический потенциал, дБ	33
Длина регенерационного участка	40...120

 

 

Магистральные волоконно-оптические кабели предназначены для передачи информации на большие расстояния и значительное число каналов, поэтому я выбираю одномодовый кабель с четырьмя оптическими волокнами. Одномодовое волокно - способность передачи только одной моды(одного светового несущего сигнала). Поскольку такое волокно имеет сердечник диаметром 10 мкм и меньше (очень тонкий), при передаче сигнала наблюдается меньшая модовая дисперсия.

Схема волоконно-оптического канала связи

 

 

3. Основные технические характеристики системы передач

 

Технические характеристики

 Коэффициент  затухания в ОВ на длине  волны 1,3 мкм, дБ/км, не более - 0,7 Дисперсия  сигнала, пс/(нм·км), не более, в диапазоне, мкм: 1,285-1,34 - 6 1,285-1,33 - 3,5 Длина волны отсечки, мкм - 1,10-1,28

  Кабели  выдерживают раздавливающие усилия  до 1000 Н на длине 1 см кабеля.

  Кабели  выдерживают 20 циклов изгибов при  радиусе изгиба, равном 20 наружным  диаметрам кабеля на угол +  рад при температуре минус 10°С.

  Кабели  выдерживают 10 осевых кручений на  угол + 2 рад на длине (2+0,2) м.

Минимальная наработка кабелей, ч - 215 000

Минимальный срок службы, лет - 25

Минимальный срок сохраняемости при хранении, лет: в отапливаемых хранилищах - 25

в полевых условиях под навесом - 10

Строительная длина кабелей, м, не менее - 2 000

 

Одномодовое оптическое волокно имеет следующие геометрические размеры, мкм:

  диаметр  модового поля - 10+1

  диаметр  оболочки - 125+3

  неконцентричность сердцевины и оболочки 1,0 мкм  

3.1 Расчет числа каналов

Определение числа каналов на внутризоновых и магистральных линиях

 

Численность населения в Актобе(пункт А) – 403000 человек на 2010г, в Атырау(пункт Б) – 231000 человек на 2010г.

Количество населения в заданном пункте и его подчиненных окрестностях с учетом среднего прироста населения.

 

, чел

 

где Н0 — народонаселение в период переписи населения, чел.;

р - средний годовой прирост населения в данной местности, % (принимается по данным переписи 2-3%);

t — период, определяемый как разность между назначенным перспективного проектирования и годом проведения переписи населения.

Год перспективного проектирования принимаем на 5 лет вперёд по сравнению с текущим временем. Следовательно,

 

t = 5+(tm — t0)

t= 5+ (2011-2010)= 6 лет

 

где tm — год составления проекта; t0 — год, к которому относятся данные Н0.

НtА= 403000 *(1+ 2/100)6= 455390 чел.

HtБ= 231000* (1+2/100)6= 261030 чел.

Где, НtА- численность населения Актобе

HtБ- численность населения Атырау

Степень заинтересованности отдельных групп населения во взаимосвязи зависит от политических экономических, культурных и социально- бытовых отношений между группами населения, районами и областями. Взаимосвязь между заданными оконечными и промежуточными пунктами определяется на основании статистических данных, полученных предприятием связи за предшествующие проектированию годы. Практически эти взаимосвязи выражают через коэффициент тяготения f1, который принимаем за 5%.

Рассчитываем количество абонентов в зонах АМТС:

Принимая средний коэффициент оснащенности населения телефонными аппаратами равным 0,5, количество абонентов в зоне АМТС

 

m=0,5 Ht

mа= 0,5* 455390= 227695 абонентов

mб= 0,5*261030= 130515 абонентов

 

где, mа - количество абонентов, обслуживаемых оконечными станциями АМТС в пункте А;

mб - количество абонентов, обслуживаемых оконечными станциями АМТС в пункте Б;

Рассчитываем число телефонных каналов

 

 

где 1 и f1 — постоянные коэффициенты, соответствующие фиксированной доступности и заданным потерям; обычно потери задаются 5%, тогда 1 = 1,3; β1= 5,6;

f1 — коэффициент тяготения, f1 = 0,05 (5 %);

y – удельная нагрузка, т.е. средняя нагрузка, создаваемая одним абонентом, y=0,05Эрл;

mа и mб - количество абонентов, обслуживаемых оконечными станциями АМТС соответственно в пунктах А и Б.

nтф= 1,3*0,05*0,05* (227695*130515/ (227695+130515))+5,6= 248 каналов

Таким образом можно рассчитать число каналов для телефонной связи между заданными оконечными пунктами, но по кабельной магистрали организуют каналы и других видов связи, а также должны проходить и транзитные каналы. Общее число каналов между двумя междугородными станциями заданных пунктов

 

nаб=nтф +nпд+nинт +nтв +Δn ≈ 2 nтф + nпд +nинт+nтв

 

где: nтф – число двухсторонних каналов для телефонной связи;

nтв – то же для передачи телевидения;

nпд – то же для передачи данных;

nинт – число каналов интернета;

Δn ≈ nтф- число каналов для телеграфной связи, проводного вещания, транзитных каналов и т. д.

Потребности в передаче данных в настоящее время растут быстрее потребности в телефонных каналах и nпд может быть принято 1,2 nтф. Рост потребности в интернет-связях очень велик и может быть принят nинт =5 nтф. Также при проектировании предусмотрим два двусторонних телевизионных канала, которыми обмениваются соседние области. Один ТВ-канал занимает 1600 телефонных каналов, получаем общее число каналов:

 

nоб≈ 2 nтф + nпд +nинт+nтв=(2+1,2+5) nтф+2*1600=8,2 nтф+3200

nаб= (2+1,2+5)*248+1600*2=5233 каналов

 

Согласно рекомендациям фирмы Corning при резком обострении ситуации, например, во время стихийных бедствий и чрезвычайных обстоятельств, потребность в каналах связи резко возрастает, поэтому необходимо учесть резервирование и возрастание потребности, вследствие чего рассчитанную величину следует увеличить по крайней мере в 2 раза.

 

nаб = 16,4 nтф+3200

nаб= 16,4*248+3200= 7267 каналов

 

 

3.2 Выбор волоконно-оптического кабеля

 

В соответствии с возможными применениями оптические волокна собираются в кабели, в которых обеспечивается более надежная защита от механических повреждений, а также от воздействий окружающей среды таких как влага, пыль и высокие температуры. Кроме того, в кабеле не может быть таких сильных изгибов волокон, которые привели бы к их разрыву и, следовательно, к утере сигнала.

Кабель типа  ОМЗКГ-10-1-0,7-4

1 – волокно;

2 – силовой элемент;

3,5 – внутренняя и внешняя  полиэтиленовые оболочки;

4 – армирующие нити из стеклопластика.

Оптический кабель типа ОМЗКГ

 Волоконно-оптический кабель  состоит из оптических волокон, силовых элементов (арматуры) и защитных  оболочек. В большинстве случаев  используются обычные оптические  волокна. Волокна могут собираться  в жгуты, которые могут быть  обмотаны арамидной пряжей и заключены в оболочки. Несколько таких жгутов объединяются в одну или несколько свивок и покрываются одной общей оболочкой и, таким образом, получается кабель. Световоды в жгуте могут различаются по цвету оболочки или по ее цветовой маркировке, что позволяет легко находить нужный, особенно при большой длине кабеля, и избежать ошибки при соединении.

  Упрочняющие элементы могут быть в виде жил или прутков цилиндрического или специального профиля, изготовленных в основном из кевлара, хотя могут использоваться и другие полимерные материалы, а также сталь или стекловолокно, которые располагаются или в центре или по периферии кабеля. Все эти материалы применяются также для изготовления брони.

  Защитные наружные оболочки кабеля изготавливаются преимущественно из полимерных материалов, таких как полиэтилен, поливинилхлорид, фторопласт.

 При конструировании  оптических кабелей учитываются  величины внешних воздействий, особенно  механических нагрузок, которые  возникают при прокладке и  эксплуатации, износоустойчивость, долговечность, гибкость, размеры, температурный диапазон  и внешний вид.

 Следует  еще раз обратить внимание  на прочность волокнно-оптического кабеля, которая определяется максимально допустимыми механическими нагрузками. Прежде всего, это - кратковременные нагрузки, которые могут возникать в ходе прокладки кабеля, например, тяговое усилие при протягивании кабеля в трубах, изгибах и т.п. Их значения определяются длиной кабеля и условиями его прокладки. Хотя, механические нагрузки, которые возникает в ходе эксплуатации кабеля, - не менее важны, их величина будет, конечно же, намного меньше, чем максимальные тяговые нагрузки при прокладке. Поэтому, в ряде случаев их можно не учитывать.

 Поскольку  возможно множество применений  в различных условиях, имеется  множество конструкций кабелей. Как и обычные медные кабели, могут быть волоконно-оптические  кабели для прокладки непосредственно  в грунте и в канализации, кабели  общего назначения, кабели для  воздушной прокладки (подвески), многожильные  кабели с одним или несколькими  жгутами, бронированные и много  других. На одном объекте, как  правило, возникает необходимость прокладки кабелей нескольких типов. Например, для нескольких з даний необходимы магистральные кабели для наружной прокладки (причем, кабель можно проложить по коммуникациям, непосредственно в земле или по воздуху), внутри здания - вертикальные для разводки по этажам и для разводки непосредственно по рабочим местам. Поэтому важное значение приобретает правильный выбор кабеля для реализации конкретнго участка проводки в конкретном месте.

  Для прокладки вне помещений преимущественно используются кабели со свободным буфером различных конструкций в т.ч.: для воздушной прокладки (или подвески) - такие кабели проводятся между строениями или подвешиваются на опорах; для прокладки непосредственно в грунте, такие кабели укладываются в предварительно выкопанных канавах и, затем, засыпаются землей; подземные, которые прокладываются в трубах или кабелепроводах и подводные, включая трансокеанские. Для обеспечения необходимой прочности в них могут использоваться мощные силовые элементы нескольких типов, что позволяет избежать повреждений при протяжке в канализации, а также различная броня, которая служит надежной защитой кабеля при непосредственном вкапывании или подвеске. Поскольку стоимость таких кабелей - выше, экономия достигается за счет простоты прокладки.

  Для прокладки в помещениях применяются волоконно-оптические кабели с плотным буфером следующих типов: симплексные, дуплексные, многожильные и другие.

Волоконно-оптический кабель со свободным буфером

В конструкции со свободным буфером волокно заключается в не очень гибкую пластиковую трубку, внутренний диаметр которой значительно превосходит диаметр волокна. Эта трубка обычно заполняется особым гелем. Таким образом, волокно изолируется от внешних механических воздействий, которым подвержен кабель. В многожильном кабеле имеется несколько таких трубок, содержащих по одному или несколько волокон, которые совместно с силовыми элементами кабеля (арматурой) позволяют освободить волокна от механических напряжений и уменьшить растяжение и усадку кабеля. Все они могут, в свою очередь, размещаться в заполненной желеобразным веществом трубке, поверх которой располагается наружная оболочка кабеля.

Для таких кабелей нежелательны большое количество изгибов и прокладка по вертикали (допускается не более 5 м), поскольку, в них возникают микроизгибы и механические напряжения, а также смещение волокон. Кроме того, возникают дополнительные сложности при монтаже соединений, так как помимо удаления оболочки и установки коннектора, необходимы очистка волокна, продувка трубок и заделка соединений, установка их в специальных втулках, муфтах или коробках. Еще существует необходимость исключить возможность проникновения влаги и веществ, которые могут взаимодействовать с заполнением кабеля.

Волоконно-оптический кабель с плотным буфером

В конструкции с плотным буфером защитный слой вокруг волокна в оболочке создается методом выдавливания пластмассы. Эта конструкция обладает значительно большей стойкостью к растяжениям, сжатиям и ударам, они допускают изгибы меньшего радиуса (но не менее 20 диаметров волокна). Прокладка такого кабеля осуществляется гораздо проще, и намного проще реализуются соединения. Эти кабели имеет малые диаметры и вес, они устойчивы к воздействию влаги и различных веществ и огнестойкие. В последнее время характерно преимущественное использование кабелей с плотным буфером.

 

 

3.3 Расчет участка регенерации

 

В общем виде ограничивающим фактором длины регенерационного участка может быть как дисперсия, так и затухание.

Рассчитывают длину регенерационного участка по затуханию:

 

Lp = Рпер – Рпрmin+aн- 2aр/ a+ (aн / lcд)

 

где Рпер = 2 дБ*м – уровень передачи на выходе генератора,

Рпрmin= - 54 дБ*м – минимально допустимый уровень приема на входе генератора,

aн = 0.5 дБ , aр = 1,1 дБ – затухание в неразъемных и разъемных соединениях соответственно, lcд =2 км – строительная длина оптического кабеля.

Lp=( 2-(-54)+0,5-2*1,1)/(0,701+(0,5/2*103))= 70,5 км

 

 

3.4 Расчет основных характеристик  оптического волокна

 

Зная значения показателей преломления сердцевины и оболочки ОВ, найдем числовую аппертуру:

 

NA=√n21-n22

NA= √1,482 -1,4752= 0,122

 

n1 – показатель преломления сердцевины ОВ, по заданию равный 1,48

n2 – показатель преломления оболочки ОВ, равный 1,475

Отсюда найдем значение апертурного угла:

Θа= arcsin (NA)

Θа= arcsin 0,122= 7.007о

 

Значение нормированной частоты рассчитывается по формуле:

v= 2π*a/λ*NA

v= 2*3,14* 5*10-6/ 1,55*10-6*0,122=2,47 Гц

 

a – радиус сердцевины ОВ;