Проектирование волоконно-оптических линий связи

ВВЕДЕНИЕ

Основные достижения и возможности ВОСП связаны с появлением полупроводниковых лазеров и волоконных световодов с небольшим затуханием.  
          Первые лазеры( л=0,85 мкм) для волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) имели невысокую эффективность, так как работали в первом окне прозрачности волокна. Первые волоконные световоды (многомодовые со ступенчатым профилем показателя преломления) из-за большой межмодовой дисперсии имели полосу пропускания не более 20 МГцкм. Многомодовые волоконные световоды с градиентным профилем показателя преломления обеспечили увеличение полосы пропускания до 160 МГцкм.  
           Разработка приемопередающей аппаратуры, работающей во втором окне прозрачности (л=1,3 мкм) позволила снизить затухание в многомодовых волокнах с 3 дБ/км ( л=0,85 мкм) до 1 дБ/км (л=1,3 мкм). Одновременно у многомодовых волокон повысилась и полоса пропускания до 500 МГцкм. 

Задание на курсовое проектирование

Таблица 1.

№     Вар.	Трасса ВОЛС	Длина трассы, км	Кол-во цифровых потоков, Е1	Показатель преломления сердцевины ОВ, n1	Показатель преломления оболочки ОВ, n2
17	Павлодар-Курчатов	242	150	1,48	1,462

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Выбор трассы

 

Трассу для прокладки ОК выбирают исходя из условий:

• минимальная длина между пунктами;
• выполнения наименьшего объема работ при строительстве;
• возможность максимального применения наиболее эффективных средств индустриализации и механизации строительных работ;
• удобства обслуживания.

Для обеспечения первого требования учитывается протяженность трассы, наличие и сложность пересечения рек, железных дорог и автомобильных шоссейных дорог, трубопроводов, характер местности, почв, грунтовых вод, возможность применения механизированной прокладки, возможность и условия доставки грузов (материалов, оборудования) на трассу.

Для обеспечения второго и третьего требования учитываются жилищно-бытовые условия и возможность размещения обслуживающего персонала, а также создание соответствующих условий для исполнения служебных обязанностей.

Чтобы уменьшить транспортные расходы во время строительства и эксплуатации, трассу кабельной линии обычно прокладывают вдоль автомобильных или железных дорог. При выборе трассы прокладки оптического кабеля также должно быть учтено специфика строительства в конкретной местности, исходя из природно-климатических и географических условий. В данной местности отсутствует прямая железнодорожная линия между г. Павлодар и Семипалатинск. Поэтому прокладку будем осуществлять в грунт. Прокладка кабеля должна осуществляться вдоль автомобильных дорог, соединяющих заданные города (Павлодар-Семипалатинск). Рассмотрим маршрут, определенные с помощью информационных систем www.avtodispetcher.ru; www.della.kz как самый быстрый и самый короткий. Данный чертеж приведен в приложении 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Выбор системы  передач

 

Емкость кабеля и система передачи выбираются исходя из необходимого числа телефонных каналов и каналов телевидения.

Тип кабеля и система передачи выбираются так, чтобы при соблюдении необходимых качественных показателей проектируемая линия была наиболее экономичной как по капитальным затратам, так и по эксплуатационным расходам.

Система связи по оптическому кабелю предусматривает передачу информации оп одному оптическому волокну, а прием по другому, что эквивалентно четырехпроводной однокабельной схеме организации связи.

В волоконно-оптических системах передачи (ВОСП) применяется, как правило, цифровая импульсная передача. Это обусловлено тем, что аналоговая передача требует высокой степени линейности промежуточных усилителей, которую трудно обеспечить в оптических системах. Используя модуляцию интенсивности излучения света проще использовать цифровые системы передачи (ЦСП).

В настоящее время выпускается достаточно много ВОСП как отечественных, так и зарубежных. Большой интерес представляет аппаратура Синхронной Цифровой Иерархии (SDH).

Системы передачи Синхронной Цифровой Иерархии разработаны специально для ВОЛП и имеют следующие преимущества:

• высокая скорость передачи STM-1 - 155 Мбит/с, STM-4 - 622Мбит/с, STM-16-2,5 Гбит/с;

• упрощенная схема построения и развития сети связи;

• малые габариты и энергопотребление;

• высокая надежность сети;

• полный программный контроль за состоянием сети;

• гибкая система маршрутизации потоков;

• высокий уровень стандартизации технологии SDH.

На основании приведенного в техническом задании количества потоков Е1 рассчитывают необходимую скорость цифрового потока:

 

Sтреб = 2,048·NПЦТ,    (1)

 

где,

2,048 Мбит/с – скорость одного  ПЦТ;

NПЦТ – количество необходимых ПЦТ.

 

Sтреб = 2,048·150=307,2 Мбит/с

 

Скорость цифрового потока выбирается по стандартной сетке скоростей SDH. Она должна удовлетворять условию:

 

Sк ≥ SтребּКр, (1.1)

 

где Кр – коэффициент запаса на развитие сети (1,4…1,5).

 

Sк =307,2·1,5=460,8 Мбит/с

 

Исходя из полученного результата для скорости цифрового потока, выбираем уровень STM-4 – 622,08 Мбит/с и мультиплексор, рассчитанный на требуемую скорость цифрового потока, это позволит оставить запас на дальнейшее развитие сети.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Основные технические характеристики системы передач

 

Исходя из требуемой скорости передачи выбираем:

Фирма Nortel

Аппаратура TN-4X относится ко второму уровню SDH и соответствует стандарту ITU-T, ETSI и требованиям регламента SDH.

Аппаратура формирует агрегатный сигнал STM-4 со скоростью передачи 622,080 Мбит/с из следующих плезиохронных и синхронных компонентных сигналов: 2, 34,140 Мбит/с, STM - 1.

Максимальное число компонентных сигналов:

• 252 х 2 Мбит/с в двенадцати блоках: 21 интерфейс 2 М в каждом блоке;

• 6 х 34 Мбит/с в шести блоках: 3 интерфейса 34 М в каждом блоке;

• 4 х140 Мбит/с: 1 интерфейс 140 Мбит/с в одном блоке;

• 4 х STM - 1: 1 интерфейс STM - 1 в одном блоке.

Мультиплексор ввода/вывода TN-4X конфигурируется в четырех режимах:

• оконечном без ТSI;

• оконечном с TSI;

• ввода/вывода;

• кольцевом;

В оконечном режиме с оперативным переключением осуществляется изменением временных позиций компонентных сигналов.

В режиме ввода/вывода осуществляется введение/выделение требующихся компонентных сигналов 2, 34 и 140 Мбит/с в агрегатный линейный сигнал и передача остальных компонентных сигналов из одного агрегатного сигнала в другой. В этом режиме возможна также перестановка временных позиций (TSI) компонентных сигналов 2 и 34 Мбит/с в дополнении к вводу/выводу.

В кольцевом режиме TN-4X обеспечивает кольцевую структуру с резервированием трактов, путем организации по двум оптическим волокнам двух встречных направлений передачи: по и против часовой стрелки. В этом режиме один компонентный электрический или оптический интерфейс STM-4 может обеспечить связь между кольцами.

Аппаратура TN-4X контролируется и управляется с помощью встроенных микропроцессорных устройств и специализированного программного обеспечения.

Рабочая станция NMS подключается к сетевому элементу (мультиплексору) по локальной сети, с остальными сетевыми элементами связь осуществляется по встроенным в заголовок STM-4 DCC - каналам с использованием протокола QECC по рекомендации G.784.

Тип приемника - lnGaAs;

тип лазера - DFB.

Линейный код - бинарный скремблированный NRZ.

Интерфейсы аппаратуры TN-4X

Оптические интерфейсы STM-4

• Соответствует рекомендации G.957;

• Уровень передачи, дБм - 3. +2

• Диапазон волн, нм 1530 - 1570

• Ширина спектра на уровне - 20 дБ, нм 0.1.1

• Подавление мод, дБ > 30

• Чувствительность приемника при Кош < 10-10, дБм - 32,5¼-8

• Затухание линии, дБ 10-32

• Максимальная дисперсия, пс/нм 3500

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.1 Расчет числа  каналов связи

 

Число каналов, связывающих заданные оконечные пункты, в основном зависит от численности населения в этих пунктах и от степени заинтересованности отдельных групп населения во взаимосвязи.

Численность населения в любом областном центре и в области в целом может быть определена на основании статистических данных последней переписи населения в РК. Обычно перепись населения осуществляется один раз в пять лет. Поэтому при перспективном проектировании следует учесть прирост населения. Количество населения в заданном пункте и его подчиненных окрестностях с учетом среднего прироста населения.

 

                             , чел                                                  (3)

где:

Н0 — народонаселение в период переписи населения, чел.;

р - средний годовой прирост населения в данной местности, % (принимается по данным переписи 1-1.2%);

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

Год перспективного проектирования принимается на 5-10 лет вперед по сравнению с текущим временем. В курсовом проекте принимаем 5 лет вперед. Следовательно

 

                                  t=5+(tm-t0)                                                                 (3.1)

где

  - год составления проекта;

   - год, к которому относятся данные Н0.

Определяем

 

                                                       

Годовой прирост населения примем равным 1.2%.

Определим количество населения в перспективном году в городе Павлодар:

Численность населения города Павлодар на 2014 год составила 354000 человек :

,чел

 

, чел

Численность населения города Семипалатинска на 2011 год составляет 304531 чел:

,чел

 

                                                       

, чел

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, как показывают исследования, колеблется в широких пределах (от 0,1 до 12%). В курсовом проекте принимаем f1= 5%.

Учитывая это, а также то обстоятельство, что телефонные каналы в междугородной связи имеют превалирующее значение, необходимо определить сначала количество телефонных каналов между заданными оконечными пунктами. Для расчета телефонных каналов используем приближенную формулу:

 

                                                                  (3.2)

где

a1 и — постоянные коэффициенты, соответствующие фиксированной доступности и заданным потерям; обычно потери задаются 5%,

 тогда a1 = 1,3; b1= 5,6;

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

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

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

В перспективе количество абонентов, обслуживаемых той или иной оконечной АМТС, определяется в зависимости от численности населения, проживающего в зоне обслуживания. Принимая средний коэффициент оснащенности населения телефонными аппаратами равным 0,38, количество абонентов в зоне АМТС:

                                                                                           (3.3)

Для Павлодара:

, аб

Для Семипалатинска :

, аб

Количество телефонных каналов:

 

 

Таким образом, мы определили 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+nтг+nпв+nпд+nпг+nтр ,                                         (3.4)

где

nтф – число двухсторонних каналов для телефонной связи;

nтг – то же для телеграфной связи;

nпв – то же для передачи проводного вещания;

nпд – то же для передачи данных;

nпг – то же для передачи газет;

nтр – транзитные каналы.

 

Поскольку число каналов для организации связи различного назначения может быть выражено через число телефонных каналов, т.е. каналов ТЧ, например: 1 ТГ кан. = 1/24 ТФ кан.; 1 ПВ кан. = 3 ТФ кан. и т.д., целесообразно общее число каналов между заданными пунктами выразить через телефонные каналы. Для курсового проекта можно принимаем

 

                                                                    (3.5)

Тогда общее число каналов рассчитываем по упрощенной формуле

                                                                                                (3.6)

где

  – число двухсторонних телефонных каналов.

 

1 телефонный канал эквивалентен  скорости 64 кбит/с, и скорость передачи  равна :

                                                                                       (3.7)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2 Выбор волоконно-оптического  кабеля

 

Выбор оптического кабеля (ОК) обуславливается условием прокладки ОК, типом волокна, а также числом волокон. В нашем случае кабель прокладывается в грунт, а также предусмотрены переходы через реки.

Характерными особенностями конструкции оптического кабеля должны быть:

• малые размеры и масса;
• большая строительная длина (4 - 6 км и более);
• малая величина километрического затухания;
• отсутствие необходимости содержания оптического кабеля под избыточным воздушным давлением;
• стойкость к электромагнитным (гроза, ЛЭП и др.) воздействиям.

 

Кабель ДПС

Конструкция

Кабель ДПС содержит центральный оптический модуль (ЦОМ), Поверх ЦОМ наложена алюминиевая лента с полимерным покрытием.

Свободное пространство в оптическом модуле заполнено гидрофобным заполнителем.

Кабель имеет внутреннюю оболочку из полиэтилена и наружную. Наружная оболочка выполняется в трех вариантах: полиэтиленовая (ДПС, СПС, ДАС, САС), из материала, не распространяющего горение (ДПН, СПН) и из не содержащего галогены материала, не распространяющего горение (ДПГ, СПГ). Кабель защищен броней из стальных оцинкованных проволок.

Назначение

Предназначены для прокладки в кабельной канализации, трубах, коллекторах, ручным или механизированным способами. Изготавливаются с центральным силовым элементом из стального троса или диэлектрического стеклопрутка. Как правило, используется на городских магистральных линиях связи.

Характеристики

Параметр	Значение
Длительно допустимая растягивающая нагрузка, кН	7,0 … 80,0
Допустимая раздавливающая нагрузка, кН/см	> 1,0
Стойкость к изгибам на угол 90° (*)	20 циклов
Стойкость к осевым закручиваниям на угол ±360° на длине 4м	10 циклов
Стойкость к ударной нагрузке одиночного воздействия, Дж	20
Рабочий диапазон температур, C°	-60 … +70 -40 … +60
Низшая температура монтажа, C°	-30 -10
Номинальный наружный диаметр, мм	13,5 … 24,0
Максимальная масса, кг/км	300 … 1100
Электрическое сопротивление наружной оболочки, МОм	> 2000

Маркировки ДПС: ДКП-03,ОПС, ОАС,ОМЗКГМ,ОКЛК,ДПС, ДПН, ДПГ, СПС, СПН, СПГ, ДАС, САС,ИКБ-М, ИКБ2-М, ОМЗКГМ, ДАС, ОГД, ОПУ, ОКЛК, ДАУ, ДПУ, ДКП, СКП, ДКПа, СКПа, ДКН, СКН, ОКБ, ОКБН, ОКБ-М, ОКП

 

 

 

 

 

 

 

 

Защита от влаги: водоблокирующая лента, наложенная продольно на сердечник кабеля. Промежуточная оболочка полиэтиленовая, толщиной не менее 1 мм.

Броня: повив круглых оцинкованных стальных проволок с заполнением гидрофобным компаундом.

Защитная оболочка: светостабилизированный полиэтилен, номинальной толщиной не менее 2,2 мм, пустоты в повиве бронепроволок заполнены гидрофобным компаундом.

Оптическое волокно, используемое в оптических кабелях связи, обладает емкостью полмиллиона телефонных разговоров или 600 ТВ цифровых каналов одновременно. Секрет такой емкости в чистоте кварцевого стекла, используемого для оптического волокна. Волокно состоит из сердечника, образованного легированным кварцевым стеклом, окруженного отражающей оболочкой из чистого кварцевого стекла. Слои акрилата защищают волокно и предохраняют от проникновения влаги и агрессивных химических соединений. Чистота и различные оптические свойства отражающей оболочки и сердечника позволяют направлять свет по волокну на расстояние, превышающее 300 км без усиления.

С развитием магистральных и локальных волоконно оптических сетей связи было освоено производство нескольких дополнительных типов одномодовых оптических волокон, отличающихся величиной затухания, его распределением по спектру и дисперсией. Распространение света в волоконном световоде характеризуется множеством параметров, самыми важными из которых являются потери на распространение и дисперсия в заданном спектральном диапазоне.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3 Расчет суммарных  потерь в оптическом тракте

 

Оптическая линия связи соединяет оптические интерфейсы. В состав оптической кабельной системы входят все компоненты, обеспечивающие оптическое соединение передатчика одного интерфейса с приемником другого:

• оптический кабель;

• соединительные шнуры;

• оптические переключатели;

• разъемные соединители;

• неразъемные соединители.

При прохождении каждого из этих элементов оптический сигнал испытывает определенные потери. На компенсацию потерь в оптическом кабеле расходуется только часть энергетического потенциала приемопередатчиков оптических трансиверов. Оставшийся резерв распределяется на потери в неразъемных соединителях, коннекторах промежуточных и оконечных оптических кроссов, энергетический запас и т.д.

Таблица 3.1

 

 

 

 

 

 

 

 

3.4 Расчет участка  регенерации

 

При проектировании высокоскоростных ВОЛП должны рассчитываться отдельно длина участка регенерации по затуханию (La) и длина участка регенерации по широкополосности (LB), так как причины, ограничивающие предельные значения La и LB независимы.

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

La макс – максимальная проектная длина участка регенерации;

La мин – минимальная проектная длина участка регенерации.

Для оценки величин длин участка регенерации используем следующие выражения:

 

                    , км                                                     (3.8)

                         , км                                                            (3.9)

                              , км                                                           (3.10)

где Амакс, Амин (дБ) – максимальное и минимальное значения перекрываемого затухания выбранной аппаратуры ВОЛП, обеспечивающее к концу срока службы значение коэффициента ошибок не более 10-10

aок= 0,22(дБ/км) – километрическое затухание выбранного ОК;

aнс= 0,03(дБ) – среднее значение затухания мощности оптического излучения на стыке между строительными длинами кабеля на участке регенерации;

Lстр – среднее значение строительной длины на участке регенерации для выбранного кабеля (км);

aрс= 0,2(дБ) – затухание мощности оптического излучения разъемного оптического соединителя;

n – число разъемных оптических соединителей на участке регенерации, равно 2:1 на передаче и 1 на приёме;

t = 18 – суммарная дисперсия одномодового ОВ в выбранном ОК;

Dl= 1(нм) – ширина спектра источника излучения;

В = 311(Мбит/с) – широкополосность цифровых сигналов, передаваемых по оптическому тракту;

М (дБ) – системный запас ВОЛП по кабелю на участке регенерации, исходя из наихудших условий зададимся значением 6 дБ.

Максимальное значение перекрываемого затухания определяем:

 

                                Амакс = pпер.max – pпр.min, дБ;                                        (3.11)

где pпер.max – максимальная мощность оптического излучения передатчика, она равна (-3)дБм

p пр.min– гарантированная чувствительность приемника, она равна

(-32.5)дБм

                                Амакс = -3-(-32,5)=29,5 дБ;

Минимальное значение перекрываемого затухания определяется:

                                 Амин = pпер.max – pпер.max , дБ;                                     (3.12)

 где 

pпер.max – максимальная мощность оптического излучения передатчика, она равна (-3) дБм;

pперегр.max– уровень перегрузки приемника, он равен (-8) дБм.

Амин = -3-(-8)=5 дБ;

 

 

 

 

 

Так как в результате расчётов было получено LВ>Laмакс с учетом требуемой способности ВОЛП (В) на перспективу развития, то оборудование и кабель выбраны правильно.

Произведём размещение регенерационных пунктов. Расстояние между не превышают максимального и минимального допустимого расстояния между регенерационными пунктами, то есть на трассе между оконечными пунктами и ОРП достаточно установить по одному необслуживаемому регенерационному пункту (НРП).

 

 

 

 

 

 

3.5 Расчет основных  характеристик оптического волокна

 

Простейшее оптические волокна (ОВ) представляет собой круглый диэлектрический (стекло или прозрачный полимер) стержень, называемый сердцевиной, окружённый диэлектрической оболочкой. Показатель преломления материала сердцевины , всегда больше показателя преломления оболочки .

Показатель преломления оболочки обычно постоянен, а показатель преломления сердцевины в общем случае является функцией поперечной координаты. Эту функцию называют профилем показателя преломления.

Если показатель преломления сердцевины от центра к краю изменяется плавно, то такие ОВ называют ОВ с градиентным профилем показателя преломления или градиентным.

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

                                  ;                                                    (3.13)

 

где:

n1=1,49 – показатель преломления сердцевины ОВ;

n2=1,486– показатель преломления оболочки ОВ.

 

Отсюда найдем значение апертурного угла:

 

                                          (3.14)

arcsin(0,2301)=13,302 град

 

В зависимости от числа распространяющихся на рабочей частоте мод ОВ имеют два режима работы: одномодовые и многомодовые. В настоящее время принято при длинах волн равным 0,85 – 1,55 мкм применять ОВ с диаметром сердцевины 8 - 10 мкм для одномодовой передачи.

Значение нормированной частоты рассчитываем по формуле:

                                      ;                                                       (3.15)

 

где: 

  – радиус сердцевины  ОВ;

λ=1,55 мкм –длина волны.

 

Определим число мод для ступенчатого ОВ:

                                                 ;                                                   (3.16)

 

Определим число мод для градиентного ОВ:

                                                                                                     (3.17)

 

Определим критическую частоту ОВ:

                                                                                              (3.18)

 

где:   

 – скорость  света;

λ=1,55 мкм –длина волны.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Выбор типа  кабеля и описание его конструкции

 

Оптический кабель (ОК) может быть проложен по опорам железных дорог, на линиях электропередачи, в силовых кабелях, в канализационных и водопроводных трубах, по руслу рек и дну озер, вдоль автомобильных дорог. Подразделяют оптические кабели по таким признакам, как: назначение и условия применения; способ прокладки; конструктивные и технологические особенности; число ОВ и электрических жил (табл.3.2).