Организация магистральной связи на основе технологии DWDM на участке железной дороги Смоленск – Муром

Федеральное Агентство Железнодорожного Транспорта

Иркутский Государственный Университет  Путей Сообщения

 

 

 

 

Кафедра: «Телекоммуникационные системы»

Дисциплина: «Передача дискретной информации на ж/д транспорте»

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовой проект

Организация магистральной  связи на основе технологии DWDM на участке железной дороги Смоленск – Муром

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оглавление

 

Введение

Целью курсового проекта является разработка магистральной и местной сети связи на участке железной дороги с применением современных технологий.

При решении поставленной задачи необходимо учитывать такие факторы, как оптимальное распределение потоков информации, численность населения на станциях для покрытия потребности в трафике, резервирование на разных уровнях, экономическая эффективность проекта и т.п.

Необходимо также выбрать трассу прокладки магистрали, тип кабеля и способ его прокладки.

Станции должны обеспечиваться телефонными  каналами, выходом в Интернет, возможностью подключения устройств телеконтроля и телесигнализации.

Немаловажной задачей является выбор и размещение телекоммуникационного оборудования. Оно должно удовлетворять задачам, поставленным в курсовом проекте, быть современным, надежным и иметь возможность увеличения объемов трафика в процессе развития станции.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Разработка архитектуры магистральной  сети

1.1. Анализ  инфраструктуры

Для организации сети магистральной связи взят участок Смоленск – Муром I протяженностью 707 км.

Магистральная сеть на всей протяженности  зарезервирована. Станции сопряжения основной и резервной магистралей: Смоленск, Вязьма, Куровская, Муром I. Это сделано для того чтобы в случае обрыва основной магистрали трафик передавался по резервным каналам.

Карта участка магистральной сети изображена в приложении 1. Упрощенная скелетная схема изображена в приложении 2.

Местная сеть - от станции Смоленск до станции Вязьма, протяженностью 174 км. Резерв местной сети не предусмотрен. На местном уровне необходимо также предусмотреть сеть связи для участков ст. Сафоново – ст. Азотная и ст. Дурово – ст. Владимирский тупик. Карта участка местной сети изображена в приложении 1. Упрощенная скелетная схема изображена в приложении 2.

1.2. Выбор технологии 

Традиционные технологии телекоммуникаций позволяют по одному оптическому волокну передать только один сигнал. Это очень неудобно тем, что для каждого канала нужно своё волокно. Суть же технологии спектрального, или оптического уплотнения заключается в возможности организации множества раздельных сигналов SDH по одному волокну, а, следовательно, многократном увеличении пропускной способности линии связи.

Основы этой технологии были заложены в 1958, еще до появления самой волоконной оптики. Однако прошло около 20 лет, прежде чем были созданы первые компоненты мультиплексных систем. Первоначально они создавались для лабораторных исследований, и лишь в 1980 году технология спектрального уплотнения (Wavelength Division Multiplexing, WDM) была предложена для телекоммуникаций. А еще через пять лет в исследовательском центре компании AT&T была реализована технология плотного спектрального уплотнения (Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM), когда удалось в одном оптическом волокне создать 10 каналов по 2 Gbps. 
 
Как это происходит? Подобно тому, как видимый человеческим глазом свет состоит из различных цветов, на которые можно его разложить,

а затем опять собрать, так и передаваемый по технологии DWDM световой поток, состоит из различных длин волн (λ).

Рис. 1. Сигналы на разных длинах волн

 
То есть по одному волокну можно  передавать более сотни стандартных  каналов. Так, аппаратура, используемая при построении DWDM-сети Компании ТТК, в максимальной конфигурации позволяет задействовать до 160 длин волн. 
 
Принципиальная схема DWDM достаточно проста. Для того чтобы организовать в одном волокне несколько оптических каналов сигналы SDH «окрашивают», то есть меняют оптическую длину волны для каждого такого сигнала. «Окрашенные» сигналы смешиваются при помощи мультиплексора и передаются в оптическую линию. В конечном пункте происходит обратная операция - «окрашенные» сигналы SDH выделяются из группового сигнала и передаются потребителю.

Рис. 2.  Мультиплексирование/демультиплексирование сигналов  
 
Естественно, что для того чтобы передавать по одному волокну множество волновых потоков, технология DWDM обеспечена оборудованием особой точности. Так, погрешность длины волны, которую обеспечивает стандартный лазер, применяемый в телекоммуникациях, примерно в сто раз больше, чем требуется в системе DWDM. 
 
По мере прохождения по оптическому волокну сигнал постепенно затухает. Для того чтобы его усилить, используются оптические усилители. Это позволяет передавать данные на расстояния до 4000 км без перевода оптического сигнала в электрический (для сравнения, в SDH это расстояние не превышает 200 км).

Рис. 3. Система DWDM  
 
Преимущества DWDM очевидны. Эта технология позволяет получить наиболее масштабный и рентабельный способ расширения полосы пропускания волоконно-оптических каналов в сотни раз. Пропускную способность оптических линий на основе систем DWDM можно наращивать, постепенно добавляя по мере развития сети в уже существующее оборудование новые оптические каналы.

1.3. Определение объемов сетевого трафика

Определим объемы сетевого трафика, проходящего  через линию магистральной связи, в виде транзитных каналов, каналов резерва и каналов основного трафика исходя из следующих условий:

1. Транзитный трафик на всей протяженности трассы равен 200 Гбит/с;
2. Объем трафика, выделяемого на резервные направления – 37,5 Гбит/с;
3. Крупные населенные пункты потребляют трафик исходя из количества жителей, наличия операторов сотовой связи, предприятий промышленности, муниципальных заведений и т.п.
4. Местный трафик забирается из выделенного магистрального трафика;
5. Ширина каждого магистрального канала 10 Гбит/с (STM-64).

Расчеты общего трафика и количества каналов можно свести в таблицу.

Таблица 1. Расчет объемов сетевого трафика

Название станции	Выделенный магистральный  трафик, Гбит/с	Местный трафик, Гбит/с	Резервный трафик, Гбит/с	Транзитный трафик, Гбит/с
Смоленск	20	15	5	200
Духовская	2,5	2,5	-
Вязьма	17,5	2,5	15
Кубинка	10	10	-
Москва	100	100	-
Куровская	20	2,5	17,5
Кривандино	2,5	2,5	-
Муром I	5	2,5	-
ИТОГО, Гбит/с	145		37,5	200
Количество каналов	15		4	20

 

Общий объем магистрального трафика 382,5 Гбит/с. Общее количество спектральных каналов необходимых для передачи магистрального трафика 39 каналов.

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Выбор оборудования

В данном разделе будет рассмотрено  оборудование на котором строится магистральная и местная сеть, а также оборудование сопряжения этих сетей.

2.1. Оборудование  магистрального уровня

Мультисервисная DWDM платформа «ПУСК»

Рис. 4. Общий вид оборудования «ПУСК»

Мультисервисная DWDM платформа «ПУСК» обеспечит увеличение пропускной способности сети и интеграцию различных типов оборудования и протоколов передачи.

• Передача SDH от STM-1 до STM-64, Ethernet, ATM на скоростях до 10 Гбит/с.
• До 8 DWDM каналов в 1 блоке.
• Расширение до 160 DWDM каналов.
• Длина пролета до 300 км регенерационные участки до 2000 км.
• Транспондеры с оптическим усилителем для настройки мощности.
• Оптическая коммутация сигнала.
• Сертификат по системе «СВЯЗЬ» №ОС-1-СП-0433.
• Рамановский предусилитель.
• Лучшая цена среди DWDM систем.

«ПУСК» предназначен для передачи трафика с помощью технологии спектрального уплотнения каналов (DWDM). Оборудование «ПУСК» полностью прозрачно для протоколов физического уровня и позволяет осуществлять передачу SDH от STM-1 до STM-64, а также Ethernet, ATM, PDH, Fiber Channel, ESCON /FICON, FDDI на скоростях от 0,1 до 10 Гбит /с.

«ПУСК» имеет спектр применения от городских до сверхдлинных расстояний. Мощные эрбиевые и рамановские оптические усилители позволяют организовывать пролеты до 300 км без промежуточных устройств. Использование каскадов линейных усилителей и компенсаторов дисперсии позволяет передавать сигналы до 2000 км без регенерации.

Оборудование «ПУСК» построено  по модульному принципу, Вы можете наращивать число спектральных каналов до 8 в одном блоке. Возможна установка нескольких блоков «ПУСК» в единую сеть для расширения до 160 каналов DWDM в C+L диапазоне.

Все элементы системы — оптические транспондеры, волоконно-оптические усилители, блок управления или дублированные блоки питания, — могут быть заменены в горячем режиме без выключения оборудования и потери трафика. Наличие блоков оптической коммутации позволяет создавать сети с резервированием 1+1 и кольцевыми схемами.

Транспондеры со встроенными оптическими  усилителями обеспечивают цифровую настройку уровней DWDM каналов, что особенно важно в разветвленных сетях.

Мощность, гибкость и надежность в  сочетании с привлекательной  ценой делают «ПУСК» лучшим решением для магистральных сетей.

Модификации системы

• 100 км (до 40 км по одному волокну) без предусилителей.
• 250 км, c оптическими усилителями и предусилителями.
• 300 км, c рамановскими усилителями.
• 2000 км, каскад усилителей и компенсация дисперсии.

Состав оборудования

• Транспондеры для скоростей от 0,1 до 2,5 Гбит/c (10 Гбит/c).
• Встроенные в транспондеры усилители мощностью до 17 дБм.
• Оптический усилитель передачи мощностью от 17 до 30 дБм.
• Рамановский предусилитель мощностью до 30 дБм.
• Низкошумящий EDFA предусилитель с NF < 4,5 дБ.
• Мультиплексоры/демультиплексоры с интервалом 50/100/200 ГГц по ITU-T.
• Мультиплексоры OADM для вывода 1, 2 или 4 спектральных каналов.

Система управления

• Сетевое управление SNMP, HTTP, локальный терминал RS-232.
• Транспондер служебного канала Fast Ethernet.
• Мониторинг потерь по активным волокнам.

Общие параметры

• Дублированные блоки питания 36-72/220 В, энергопотребление 165 Вт.
• Корпус для установки в 19” стойку высотой 6U.
• Габариты 483x265x310 мм.
• Оптические разъемы LC/APC, SC/APC, E2000/APC.
• Тип волокон одномодовые SM G.652 или NZDS G.655.
• Коэффициент ошибок BER не хуже 10^-12.

2.2. Оборудование местного уровня

Коммутатор ELTEX MES3124F

Рис. 5. Общий вид оборудования «ELTEX MES3124F»

Устройство MES3124F является мощным многоцелевым  сетевым коммутатором, выполняющем свои коммутационные функции на канальном и сете вом  уровнях  модели  OSI. Коммутаторы  MES3124F  обеспечивают  высокую  плотность  электрических/оптических гигабитных  портов,    позволяют  подключаться к оптическим линиям посредством комбинированных интер-фейсов и имеют порты 10G uplink, что позволяет постепенно перейти от ско-ростей 1G к скоростям 10G. 

 

Таблица 2. Технические характеристики «ELTEX MES3124F»

Интерфейсы	20 оптических портов 1000 Base-X Ethernet(слоты для SFP-трансиверов); 4 порта 1000 Base-T Ethernet, RJ-45, совмещенные со слотами для SFP-трансиверов; 4 порта 10G Base-X(слоты  для SFP+ трансиверов)
Модули SFР	SFP, SFP+
Дуплексный  и полудупплексный режимы	Дуплексный/ полудуплексный режим для электрических портов, дуплексный режим для оптических портов.
Производительность  коммутатора	128 Gbps
Объем буферной памяти	12 Mb
Таблица MAC-aдресов	16000 записей
Поддержка VLAN	802.1Q, до 4000
Управление	SNMP, CLI, SSH, TELNET
Напряжение  питания	- один источник питания  AC или DC;  - один источник питания (AC или DC) с возможностью горячей замены и вход для резервного источника питания 12V (RPS);   -два источника питания(AC или DC) с возможностью горячей замены

 

Мультиплексор ЦВОЛТ  «Акула»

Рис. 6. Общий вид оборудования «АКУЛА»

Аппаратура «АКУЛА»  предназначена для передачи между 2 или несколькими (до 132) пунктами связи, по одному или двум одномодовым или многомодовым оптическим волокнам, от 11 до 66 потоков Е1 и/или от 1 до 18 потоков Ethernet 10/100Tx с пропускной способностью n*E1, n=1..22. Скорость группового потока передаваемого по оптическому волокну 155,520 Мбит/с. Структура кадра и интерфейс группового потока соответствуют интерфейсу SDH STM-1. Мультиплексор аппаратуры «Акула» содержит полнодоступный кросс-коммутатор 264Е1х264Е1 который позволяет выделять в полукомплекте любое количество потоков Е1 из группового потока и гибко задавать пропускную способность для интерфейсов Ethernet. Коммутатор имеет встроенную защиту 1+1 передаваемого группового потока. Аппаратура – асинхронная. От синхронной аппаратуры отличается тем, что не нужно задавать источник синхронизации и зависеть от него. Вследствие этого, аппаратура для передаваемых потоков абсолютно прозрачна.

Таблица 3. Технические характеристики ЦВОЛТ «АКУЛА»

Интерфейсы	до 66 цифровых потоков Е1; или до 18 потоков Ethernet с  интерфейсом 10Tx/100Tx, дополнительного потока Ethernet 10Tx/100Tx с пропускной способностью 100 Мбит/с (или 16 Мбит/с в случае разрыва ВОЛС).
Скорость группового потока каждого оптического линейного тракта, Мбит/с	155,520
Код передачи	NRZ
Структура кадра	Поддерживает заголовок  регенераторной части секции STM-1 и  совместима с регенераторами STM-1 других производителей
Тип источника  излучения	Лазерный диод
Длина волны  излучения, нм	1310, 1550 выбирается при заказе для оптических модулей, работающих по двум волокнам. В оптических модулях, работающих по одному волокну, один оптический линейный тракт использует лазер с длиной волны 1310 нм, а второй - лазер с длиной волны 1550 нм
Напряжение  питания	Каждый полукомплект может работать от постоянного напряжения   от -36 В до -72 В и от переменного напряжения 220 В, 50 Гц
Потребляемая  мощность полукомплекта, не более Вт	30

2.3. Размещение оборудования

Для размещения оборудования на станциях будем использовать напольный телекоммуникационный шкаф ШТК-М 19". Шкаф ШТК-М предназначен для размещения активного и пассивного телекоммуникационного оборудования, в офисных и закрытых промышленных помещениях. Габаритные размеры2030х600х620, вместимость 42U. 
Шкаф телекоммуникационный имеет разборную каркасную конструкцию. Состоит из основания, крыши и двух сварных рам, соединенных комплектом швеллеров (сталь 2мм.). Легок в сборке. За счет элементов крепления каркас шкафа имеет повышенную жесткость, в зависимости от модификации возможна распределенная вертикальная нагрузка до 750 кг. ШТК-М комплектуется усиленными боковыми стенками. Стенки надежно фиксируются пластиковыми защелками и точечными замками.

2.4. Обеспечение  бесперебойного электропитания

Источник бесперебойного электропитания ИБЭП 220/48В-12А ФОРПОСТ предназначен для преобразования переменного напряжения ~220В в постоянное напряжение 48В, бесперебойного питания телекоммуникационного оборудования, содержания и заряда АКБ. Максимальная выходная мощность 300 Вт, габариты 400х480х130, 3U. 
 

Рис. 7. Общий вид источника бесперебойного питания

Аккумуляторный блок (АКБЛ) предназначен для непрерывной эксплуатации и защиты аккумуляторных батарей необслуживаемого типа и служит резервным источником питания электронной аппаратуры напряжением постоянного тока. Емкость АКБ 5 х 12В х 7А*час. Габаритные размеры 150х70х95 мм, 2 U.

Рис. 8. Общий вид аккумуляторного блока АКБЛ

3. Выбор среды передачи

3.1. Выбор волоконно-оптического  кабеля

В качестве среды передачи будем  использовать волоконно-оптический кабель фирмы «Инкаб» ДПТ-П-08А-8 - кабель подвесной, самонесущий, одномодовый (9|125) , полностью диэлектрический арамидные нити Kevlar или Twaron

Кабели применяются для подвеса  на опорах воздушных линий связи, контактной сети железных дорог, линий электропередач, в том числе при особо высоких требованиях по устойчивости к внешним электромагнитным воздействиям.

Рис. 9. Конструкция кабеля

Цифрами на рисунке 9 обозначены:

1. Центральный силовой элемент (ЦСЭ) — стеклопластиковый диэлектрический стержень.
2. Оптическое волокно.
3. Оптический модуль в оболочке из ПБТ, заполненный гидрофобным гелем.
4. Межмодульный гидрофобный гель.
5. Промежуточная оболочка из полимерного материала.
6. Упрочняющие элементы (арамидные нити).
7. Защитный шланг из полимерного материала.

Передача основных каналов будет осуществляться по 2 волокнам, резервный трафик по 1 волокну, для транзитного трафика выделим 2 волокна, оставшиеся 3 волокна использованы не будут, оставим их для расширения сети в будущем.

Таблица 4. Характеристики оптоволокна

Одномодовое волокно
Тип волокна	тип «А»
Рекомендация  МЭК	G.652D
Характеристика  волокна	С расширенной полосой  рабочих длин волн
Область применения	Для городских, зоновых  и магистральных сетей связи
Марка волокна	Corning SMF-28e+ Fujikura FutureGuide-LWP
Диаметр сердцевины/оболочки/покрытия, мкм	9/125/250
Показатели  преломления  на длине волны 1310 нм  на длине волны 1550 нм	1,4677  1,4682
Рабочая длина  волны, нм	1310..1625
Коэффициент затухания, дБ/км, не более  на длине волны 1310 нм  на длине волны 1383 нм  на длине волны 1550 нм  на длине волны 1625 нм	<0,35   <0,31  <0,22  <0,24
Коэффициент хроматической  дисперсии, пс/нм·км  на длине волны 1310 нм  на длине волны 1550 нм  на длине волны 1625 нм	<3,5  <18  <22
Длина волны  нулевой дисперсии, нм	1300..1324
Наклон дисперсионной  характеристики в области длины волны нулевой дисперсии, пс/нм2·км, не более в интервале длин волн 1285-1330 нм	0,092
Поляризационная модовая дисперсия, пс/vкм, не более	<0,2
Длина волны  отсечки в кабеле, нм, не более	<1260
Диаметр модового поля, мкм   на длине волны 1310 нм  на длине волны 1550 нм	9,2±0,4  10,4±0,5
Неконцентричность сердцевины и оболочки, мкм	<0,5
Некруглость оболочки, %	<0,7%
Коэффициент широкополостности не менее, МГц·км   на длине волны 850 нм  на длине волны 1300 нм	400  500
Числовая апертура	0,200±0,15

 

3.2. Выбор способа  прокладки кабеля

Варианты подвески ОК имеют ряд  достоинств по сравнению с другими  способами строительства:

• отсутствие необходимости отвода земель и согласований с заинтересованными организациями;
• сокращение сроков строительства;
• уменьшение объёма возможных повреждений в районах городской застройки и промышленных зонах;
• снижение капитальных и эксплуатационных затрат;
• независимость от типов грунтов и почв.

 

Однако существуют и недостатки воздушной прокладки:

• меньший срок службы в связи с воздействием окружающей среды;
• подверженность повышенным механическим напряжениям в неблагоприятных погодных условиях;
• неэстетичность;
• сложность расчёта при воздействии нагрузок во всех условиях эксплуатации.

 
При подвеске ОК со встроенным несущим  тросом используется стандартная электросетевая арматура типа КГП и поддерживающий зажим ПСО-14-03. Для натяжного крепления самонесущего ОК используют спиральный зажим марки НСО-14П-02. Крепление этого зажима к опоре осуществляется через поставляемый с зажимом коуш и линейную сцепную арматуру. Перемонтаж спиральных поддерживающего и натяжного зажимов запрещается. 

На приведённом ниже рисунке показана арматура для поддерживающего крепления ОК на опорах контактной сети

Рис. 10. Схема подвеса кабеля на опорах контактной сети

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Оценка экономической  эффективности проекта

Таблица 5. Спецификация оборудования

Наименование оборудования	Количество	Стоимость, руб.
		Единичная	Общая
1. Платформа «ПУСК» в исполнении MUX/DMUX	2	1 500 000	3 000 000
2. Платформа «ПУСК» в исполнении  ROADM	6	1 000 000	6 000 000
2. Коммутатор «ELTEX MES 3124F»	3	120 000	360 000
3. Мультиплексор ЦВОЛТ «АКУЛА»	13	54 500	708 500
4. Шкаф телекоммуникационный  ШТК-М 19"	21	24 000	504 000
5. Источник бесперебойного питания 220/48В – 12 А	21	29 000	609 000
6. Аккумуляторные батареи «ФОРПОСТ» 42.6.8	21	4 500	94 500
7. Кабель волоконно-оптический ЭКБ-ДПТ-08А-8 кН, км	707	49 500	34 996 500
Общая стоимость оборудования, руб.			46 272 200

Годовые эксплуатационные расходы  рассчитываются по элементам затрат и включают:

1. Расходы на оплату труда  эксплуатационного штата:

На каждой станции магистральной  и местной сети работает электромеханик, который обслуживает оборудование. Заработная плата электромеханика 15 000 руб/месяц.

Э_ФОТ=18·15000·12=3 240 000 руб/год;

2. Отчисления на социальные нужды:

Э_СН=Э_ФОТ·0,26

Э_СН=3240000·0,26=842 400 руб/год;

3. Амортизационные отчисления:

Э_АМ=K·g/100

Э_АМ=46272200·14/100=6 478 108 руб/год;

4. Затраты на электроэнергию:

n – количество единиц оборудования;

W – мощность, потребляемая за час;

t – время действия оборудования за год (8760 ч);

η – КПД установки (0,8)

m – тариф энергопотребления для предприятий (1,5 руб. кВт/час)

5. Прочие расходы:

Э_ПР=(Э_ФОТ+Э_СН+Э_АМ+Э_ЭН)·0,01

Э_ПР=(3240000+842400+6478108+29073)·0,01=105 896 руб/год.

 

Эксплуатационные расходы:

Э= Э_ФОТ+Э_СН+Э_АМ+Э_ЭН+Э_ПР

Э=3240000+842400+6478108+29073+105896=9 937 277 руб/год

 

Капитальные вложения:

K=К+К·0,3

К=1,3·46272200=60 153 860

 

Рассчитаем срок окупаемости проекта:

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

В результате выполнения курсового проекта была спроектирована магистральная сеть связи. В основе сети лежит современная технология DWDM, что обеспечивает максимальную пропускную способность при минимальном количестве волокон в кабеле.

Выбранное оборудование, произведено на 80% в России, что заметно снижает его стоимость по сравнению с зарубежными аналогами.

Также была спроектирована сеть связи  местного уровня, которая имеет на каждой станции различные интерфейсы для подключения абонентского оборудования. Все станции местного уровня получают трафик в необходимом объеме.

Транзитный трафик на протяжении всего  участка прошел без изменений.

Срок окупаемости проекта составил чуть больше 6 лет. Это приемлемый срок для сети такой сложности. Оборудование технологии DWDM на данном этапе развивается медленно, поэтому за 6 лет наш проект не успеет морально устареть. Тем более что предусмотрено развертывание оборудования до 160 каналов в одном волокне.