Проектирование инфокоммуникационной оптической сети железной дороги

  • Вид работы:
    Курсовая работа (т)
  • Предмет:
    Информатика, ВТ, телекоммуникации
  • Язык:
    Русский
    ,
    Формат файла:
    MS Word
    833,18 Кб
  • Опубликовано:
    2012-10-28
Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.
Помощь в написании работы, которую точно примут!

Проектирование инфокоммуникационной оптической сети железной дороги

Введение

Многоканальная связь получила широкое распространение на железнодорожном транспорте. Особенно большое значение эта связь приобретает в связи с разбросанностью подразделений железнодорожного транспорта на большие расстояния.

Управление работой отдельных хозяйственных единиц требует организации между командными пунктами (Министерство путей сообщения, управления дорог и т.п.) и низовыми организациями оперативной (например, телефон) и документальной (телеграф, передача данных, факсимиле) связи.

Обеспечение оперативной отчетности и сбора данных от отдельных подразделений для фиксации проделанной работы и составление оперативных планов возможно только при четко работающей оперативной и документальной связи.

Организация различных видов оперативно-технологической связи требует создания между отдельными станциями, узлами и административными пунктами соответствующего числа каналов связи. Каналы могут быть получены с использованием соответствующей аппаратуры, обеспечивающей ведение нескольких независимых телефонных разговоров по одной линии передачи.

Оперативно-технологическая связь прошла длительный путь развития на основе разработки и последовательной модернизации своей технической базы, а также поисков новых технических решений. Имеющиеся теперь на железнодорожном транспорте устройства оперативно-технологической связи были созданы в результате многолетнего труда большого коллектива транспортных специалистов.

В настоящее время широкое применение получили волоконно-оптические линии связи - это вид связи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, известным под названием "оптическое волокно".

Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. Основания так считать вытекают из ряда особенностей, присущих оптическим волноводам.

1. Анализ дорожной сети

.1 Описание дороги

Приднепровская железная дорога расположена на Юге Украины. Организована в 1958-м году. Эксплуатационная длина (1974 г.) составляет 3275,9 км, или 2,4% от протяженности всей сети железных дорог СССР.

Приднепровская железная дорога связывает Донбасс с Криворожским железорудным бассейном двумя широтными линиями Чаплино - Синельниково - Днепропетровск - Верховцево - Пятихатки и Камыш-Заря - Пологи - Запорожье - Апостолово - Кривой Рог - Тимково. Дорога обслуживает крупные промышленные центры; Днепропетровск, Запорожье, Днепродзержинск, Кривой Рог, Павлоград, Никополь, Новомосковск и др., а также сельскохозяйственные районы. Работа Приднепровской железной дороги характеризуется высоким удельным весом отправлений и прибытий грузов. Однако грузооборот дороги сравнительно невелик из-за небольшой дальности перевозок. В 1990 грузооборот дороги составил ок. 88 млрд. т-км. В перевозках грузов преобладают железная и марганцевая руды, каменный уголь, кокс, черные металлы, промышленные товары, машины, оборудование, строит, материалы, флюсы, зерно. Грузонапряженность перевозок 27 млн. т-км/км. В пассажирских перевозках Приднепровской железной дороги значительную долю составляет перемещение пассажиров в Крым и обратно по линии Лозовая - Запорожье - Мелитополь - Джанкой и далее к местам массового отдыха и лечения: Симферополь, Керчь, Евпатория, Феодосия. Интенсивный пассажирообмен существует с Московской, Донецкой, Одесской, Юго-Западной, Северо-Кавказской, Октябрьской, Львовской ж. д. Пассажирооборот составляет (1990) ок. 12 млрд. пасс-км. Развитию перевозок между Крымом и Кавказом на определенном этапе способствовало создание морской паромной переправы между ст. Крым и ст. Кавказ через Керченский пролив. К 1990 паромные перевозки намного сократились из-за отсутствия паромов нужного класса.

На Приднепровской железной дороге сильно развито пригородное пассажирское движение (св. 85% всех отправлений пассажиров), но из-за небольшой дальности доля пригородных пассажирских перевозок от суммарного пассажирооборота составляет около 25%.

В ходе боев и освобождения территории от противника железнодорожники осуществляли снабжение фронта, обслуживание перевозок, восстановление пути и подвижного состава. Тысячи железнодорожников участвовали в боевых операциях, вели работу в подполье. В послевоенные годы Приднепровская железная дорога была не только восстановлена, но и реконструирована, построены новые вокзалы, железнодорожные станции, искусственные сооружения, в т. ч. крупные мосты через Днепр. Главное меридиональное направление Лозовая - Запорожье - Симферополь - Севастополь переведено на электрическую тягу; электрифицированы основные широтные направления и пригородные участки. Электрической тягой выполняется 77% всего грузооборота, остальное - тепловозной. До 85% участков дороги оборудованы автоматической блокировкой, до 95% - электрической централизацией стрелок и сигналов. Построены крупные сортировочные станции, оборудованные современными техническими средствами механизации и автоматизации. На погрузочно-разгрузочных работах применяются средства механизации. Высокопроизводительные путевые машины используются для текущего содержания и ремонта пути.

Дорога награждена орденом Ленина (1971).

Рисунок 1 - Приднепровская железная дорога

Рисунок 2- Стилизованная схема Приднепровской железной дороги

Рисунок 3- Упрощенная стилизованная схема Приднепровской железной дороги

1.2 Расчет количества каналов

Волоконно-оптические сети связи в общем случае являются двухуровневыми и состоят из транспортной или магистральной сети, и сетей абонентского доступа.

В транспортной сети циркулируют крупные цифровые потоки с максимально высокой скоростью передачи между узлами, в которых осуществляется доступ к этим потокам, их разделение на более мелкие цифровые потоки и распределение последних в сети абонентского доступа. Понятие сети абонентского доступа связано с тем, какой цифровой поток требуется абоненту или группе абонентов: 64 кбит/с (nх64 кбит/с; где п - количество потоков), 2 Мбит/с или nх2 Мбит/с, 34 Мбит/с, 155 Мбит/с или 622 Мбит/с.

Особенностью существующей железнодорожной первичной сети связи является ее иерархическая структура, отражающая структуру управления технологическими процессами на дорожном, отделенческом и местном (включая внутриобъектовый) уровнях (рисунок 4).

Дорожная сеть включает в себя дорожный (ДУ) и отделенческие (ОУ) узлы связи и соединяющие их линии передачи. По каналам и трактам дорожной первичной сети осуществляется передача информации между управлением железной дороги и отделениями дороги, а также между отделениями железной дороги.

Рисунок 4 - Иерархическая структура первичной сети связи железной дороги

Рисунок 5 - Стилизованная схема дорожной сети связи  Приднепровской железной дороги

Отделенческая сеть связи имеет ряд специфических особенностей в построении ее первичной и вторичных сетей, которые заставляют считать целесообразным выделение отделенческих связей в отдельный уровень иерархии сети. Отделенческая сеть включает в себя отделенческий узел связи (ОУ), узлы связи участковых (УС), промежуточных (ПС) и оконечных (ОС) станций и линии передачи, их соединяющие. По каналам отделенческой сети осуществляется передача информации между отделением железной дороги и станциями, а также между железнодорожными станциями.

Местную сеть связи организуют в пределах крупных железнодорожных узлов и станций. Она включает в себя местные узлы, оконечные станции, соединительные и абонентские линии передачи. Местную сеть организуется в пределах крупных железнодорожных узлов и станций, чтобы обеспечить потребности в каналах для оперативного руководства эксплуатационной работой.

Рисунок 6 - Стилизованная схема отделенческой сети связи Приднепровской железной дороги

Структура создаваемых волоконно-оптических сетей, сохраняя иерархическую преемственность, позволяет более гибко и эффективно решить задачи обмена информации между различными категориями пользователей железнодорожного транспорта благодаря применению ВОСП SDH/СЦИ, встроенной в нее системы управления оборудованием сети, созданию кольцевых топологий.

При проектировании магистрали связи используются следующие каналы:

–  каналы СПД (E1) - каналы систем передачи данных;

–       каналы ОТС (E0) - каналы оперативно-технической связи;

–       каналы ОбТС (E0) -каналы телефонной сети общего пользования.

При расчете количества каналов используются следующие коэффициенты:

–  K1 - коэффициент количества каналов между станцией (ст.) и отделенческим узлом (ОУ);

–       K2 - коэффициент количества каналов между двумя ОУ;

–       K3 - коэффициент количества каналов между ДУ и ОУ.

железный дорога оптический сеть

Рисунок 7 - Схема соединений между отделениями дороги

Рисунок 8 - Схема соединений между станциями дороги

“К1”= К1Е1+2К1Е0

“К2”= К2Е1+2К2Е0

“К3”= К3Е1+2К3Е0

По заданию количество каналов: К1=100, К2=250, К3=500.

Пример расчета числа каналов для участка ст3-ОУ2:

“К3”+“К2”+ “К1” = 3(К3Е1+2К3Е0)+К2Е1+2К2Е0+ К1Е1+2К1Е0 = 3(500Е1+2·500Е0)+250Е1+2·250Е0+100Е1+2·Е0 = 1850Е1+3700Е0

Пример расчета числа каналов E1 для участка ст3-ОУ2:

STM-1.

Таблица 1 - Типы и количество каналов на каждом из участков железной дороги

Участок

Сумма

Расчет числа каналов

Количество Е1

Количество STM-1

1

ст1-ДУ(ОУ1)

“К1”

100Е1+200Е0

107

2

2

ДУ(ОУ1)-ст3

3“К3”+“К2”

1750Е1+3500Е0

1867

30

3

ст3-ОУ2

3“К3”+“К2”+ “К1”

1850Е1+3700Е0

1974

32

4

ОУ2-ст4

“К1”

100Е1+200Е0

107

2

5

ОУ3-ОУ2

2“К3”+“К2”

1250Е1+2500Е0

1334

22

6

ст5-ОУ3

“К1”

100Е1+200Е0

107

2

7

ОУ3-ст6

“К3”+“К2”+ “К1”

850Е1+1700Е0

907

15

8

ст6-ст11

“К3”+“К2”

750Е1+1500Е0

800

13

9

ст11-ОУ6

“К3”+“К2”+ “К1”

850Е1+1700Е0

907

15

10

ОУ6-ст12

“К1”

100Е1+200Е0

107

2

11

ОУ3-ст7

“К3”+“К2”

750Е1+1500Е0

800

13

12

ст7-ОУ4

“К3”+“К2”+ “К1”

850Е1+1700Е0

907

15

13

ОУ4-ст8

“К1”

100Е1+200Е0

107

2

14

ОУ4-ДУ(ОУ1)

2“К3”+“К2”

1250Е1+2500Е0

1334

22

15

ОУ4-ОУ5

“К2”

250Е1+500Е0

267

5

16

ст10-ОУ5

“К1”

100Е1+200Е0

107

2

17

ОУ5-ст9

“К3”+“К2”+ “К1”

850Е1+1700Е0

907

15

18

ст9-ст2

“К3”+“К2”

750Е1+1500Е0

800

13

19

ст2-ДУ(ОУ1)

“К3”+“К2”+ “К1”

850Е1+1700Е0

907

15


1.3 Выбор топологии построения волоконно-оптической линии связи

Многие важнейшие характеристики сетей связи определяются их топологией, характеризующей связность узлов сети линиями связи и позволяющей оценить надежность и пропускную способность сети при повреждениях.

Выбор топологии основывается на разумном компромиссе между надежностью сети, ее стоимостью и простотой технического обслуживания. При проектировании систем для железнодорожной связи приоритетными являются показатели надежности, которые связаны со способностью восстановления после отказов в сети, включая отказы линий связи, узлов и оконечных устройств.

Топология сети должна обеспечивать локализацию неисправностей, возможность отключения отказавшего оборудования, введение обходных маршрутов и изменения конфигурации сети.

Простота технического обслуживания сети определяется тем, насколько выбранная топология позволяет упростить диагностирование, локализацию и устранение неисправностей.

Стоимость сети во многом зависит от числа и сложности узлов и линий связи. Выбранная топология сети должна, по возможности, обеспечивать оптимальное соединение узлов линиями связи так, чтобы общая стоимость передающей, аппаратной сред и программного обеспечения была минимальной.

Линейной топологией, или схемой «точка-точка», принято называть схему, связывающую два узла сети (оконечные станции), на каждом из которых формируются и заканчиваются все информационные потоки, передаваемые между узлами. Для их передачи посредством ВОСП используются два волокна (по одному в каждом направлении передачи), а при резервировании волокон - четыре (резерв 1+1 или 1:1), (рисунок 9, а). Она является наиболее простой и используется при передаче больших цифровых потоков по высокоскоростным магистральным каналам.

Развитием линейной топологии при последовательном соединении узлов сети (или нескольких пунктов выделения каналов) является цепочечная топология с возможностью многократного ввода-вывода в узлах сети (пунктах выделения каналов) одного общего для всех пунктов выделения канала (схема «точка-многоточка») или разных каналов из единого цифрового потока, (рисунок 9, б).

Звездная топология сети характеризуется тем, что каждый узел сети (пункт выделения каналов) имеет двухстороннюю связь по отдельной линии с центральным узлом - концентратором (обладающего функциями мультиплексора ввода - вывода и системы кроссовой коммутации), благодаря которому и обеспечивается полная физическая связность сети, (рисунок 9, г). Необходимо отметить, что при общем стандартном наборе функций оборудования SDH/СЦИ, определяемом рекомендациями МСЭ, мультиплексоры, выпускаемые конкретными производителями оборудования могут не иметь полный набор вышеперечисленных возможностей, либо, наоборот, иметь дополнительные.

Наиболее характерной топологией для сетей SDH/СЦИ является кольцевая.

Она характеризуется тем, что узлы сети (пункты выделения каналов) связаны линейно, но последний из них соединен с первым, образуя замкнутую петлю (кольцо). В кольце возможна организация однонаправленной и двунаправленной передачи цифрового потока между узлами сети. Основное преимущество этой топологии состоит в легкости организации защиты благодаря двум оптическим входам в мультиплексорах, позволяющих создать двойное кольцо со встречными цифровыми потоками. Система защиты организуется двумя способами. Первый способ защиты позволяет переключать «основное» кольцо на «резервное». В этом варианте блочные виртуальные контейнеры имеют доступ только к основному кольцу. В случае обрыва ВОК происходит замыкание основного и резервного колец на границах поврежденного участка. При этом приемник передатчик выходного блока мультиплексора соединяется с той его стороной, где произошел обрыв кабеля. Это приводит к образованию нового кольца. Второй способ состоит в том, что блочные виртуальные контейнеры передаются одновременно в двух противоположных направлениях по разным кольцам. Если происходит сбой в одном из колец, система управления автоматически выбирает тот же блок из другого кольца. Программы управления мультиплексорами поддерживают либо один из двух, либо оба способа защиты.

Кольцо, организованное оптическими волокнами внутри одного ВОК называется «плоским». При использовании волокон кабелей, проложенных по разным трассам между узлами сети (пунктами выделения каналов) и двунаправленной передачи цифрового потока, кольцо является «выпуклым» (рисунок 9, в).

Наибольшей надежностью обладает кольцевая топология сети с организацией выпуклых колец между узлами и двунаправленной передачей цифрового потока внутри кольца. Очевидно, что наибольшая надежность кольцевых структур достигается тогда, когда кабельные трассы кольца территориально разнесены. В зависимости от назначения ВОЛС можно организовать кольцевые структуры для магистральной и дорожной связи по параллельным железнодорожным направлениям. Если это невозможно, для повышения надежности ВОЛС можно замкнуть кабельное кольцо путем прокладки (подвески) кабеля по разные стороны железной дороги или организовать параллельный радиорелейный тракт SDH/СЦИ. На практике находят применение топология «плоского кольца», когда для замыкания кольца используются оптические волокна внутри одного кабеля.

Рисунок 9 - Типы базовых топологий цифровых сетей

Сочетания рассмотренных топологий позволяет создавать сети СЦИ с различной архитектурой. Как правило, все мультиплексоры СЦИ имеют возможность оснащения различными платами оптоэлектронных интерфейсов на длинах волн 1310 и 1550 нм, выбор которых позволяет оптимизировать структуру линии в зависимости от соотношения стоимости и длин регенерационных участков.

При выборе топологии сетей необходимо также учитывать число оконечных устройств (ОУ) и устройств обработки информации (УОИ); территориальное расположение ОУ и УОИ; функциональное назначение и показатели качества сети; надежность сети; стоимость сооружения сети; условия эксплуатации; требования к массе и габаритным размерам элементов сети.

Для железнодорожных SDH/СЦИ сетей наиболее целесообразно использовать кольцевые топологии и их варианты, при этом важным является не только правильный выбор оборудования, но и оптимальное расположение узлов в каждом кольце и узлов, где будет организовано их взаимодействие. При этом должны быть обеспечены условия построения системы управления сети с кольцевыми структурами.

Кольцевание сети должно будет осуществляться исходя из следующих принципов. В случае, когда железные дороги проходят параллельно, кольцевание осуществляется с использованием поперечных направлений или с использованием инфраструктуры других ведомственных сетей, например, на опорах линий электропередачи (ЛЭП). На линейной сети связи, проложенной вдоль дороги, будут формироваться плоские кольца. Учитывая взаимное тяготение узлов, расположенных вдоль железнодорожных магистралей, плоские кольца целесообразно организовывать в пределах диспетчерского участка и отделения дороги. Выпуклые кольца большой протяженности организуются на дорожном и магистральном уровнях.

Большое значение для волоконно-оптических сетей связи имеет способ физического доступа к передающей среде - волокну, тип сетевого интерфейса. По этому признаку волоконно-оптические сети связи разделяются на пассивные и активные.

В пассивных топологиях физический доступ (ввод-вывод сигнала) осуществляется в оптической области (по оптическому сигналу) с помощью пассивных оптических элементов, таких, как оптические ответвители, разветвители, спектральные мультиплексоры-демультиплексоры, переключатели. Узел сети получает в этом случае порцию оптической энергии непосредственно из оптического волокна и вводит оптический сигнал непосредственно в оптическое волокно. Пассивный узел - это простая точка ветвления, которая может только ослабить сигнал, но не изменяет его форму и содержание. Непрерывность оптической среды в точках доступа пассивной сети не нарушается, однако возникающие при вводе-выводе потери сигнала требуют тщательного расчета его энергетического потенциала в сети. С точки зрения топологии в пассивных волоконно-оптических сетях связи используется так называемая многоточечная пассивная схема той или иной конфигурации с оптико-оптическим сетевым интерфейсом.

В активных топологиях доступ к общему цифровому потоку осуществляется в электрической области, для чего оптический сигнал в узле преобразуется в электрический при выводе, а при вводе выполняется обратное преобразование. В узлах (пунктах выделения каналов) сети нарушается непрерывность передающей среды: сетевой интерфейс при выводе оптоэлектронный, а при вводе - электронно-оптический. Активный узел может изменять или переключать цифровые потоки (каналы) и в этом отношении имеет больше функциональных возможностей по обработке сигнала, чем пассивный узел, однако при этом возрастает и вероятность искажения сигнала.

Исходя из расположений ОУ и станций, для Приднепровской железной дороги применим кольцевую топологию с двунаправленной передачей цифрового потока между узлами сети.

1.4 Резервирование каналов на участках волоконно-оптической линии связи

Самовосстанавливающимися называются сети, имеющие такую организацию, при которой достигается не только высокая надежность функционирования сети, обусловленная использованием ВОК, но и возможность сохранения или восстановления (за очень короткое время в десятки миллисекунд) ее работоспособности даже в случае отказа одного из ее элементов или среды передачи - кабеля.

В принципе существуют различные методы обеспечения быстрого восстановления работоспособности синхронных сетей, которые могут быть сведены к следующим схемам:

1 резервирование участков сети по схемам 1+1 и 1:1 по разнесенным трассам;

организация самовосстанавливающихся плоских кольцевых сетей, резервированных по схемам 1+1 и 1:1;

3 резервирование терминального оборудования по схемам 1:1 и N:1;

4 восстановление работоспособности сети путем обхода неработоспособного узла;

использование систем оперативного переключения.

Указанные методы могут использоваться как отдельно, так и в комбинации.

В первом случае участки между двумя узлами сети соединяются по двум разнесенным трассам, сигналы по которым распространяются одновременно. В узле приема они могут обрабатываться по двум схемам:

-  резервирование по схеме 1+1 - сигналы анализируются и выбирается тот, который имеет наилучшее соотношение параметров;

-       резервирование по схеме 1:1 - альтернативным маршрутам назначаются приоритеты - низкий и высокий, ветвь с низким приоритетом находится в режиме горячего резерва, переключение на нее происходит по аварийному сигналу от системы управления.

Это общие методы восстановления работоспособности, применимые для любых сетей.

Во втором случае используется топология типа "плоское кольцо", которое может быть организовано с помощью двух оптических волокон в одном ВОК. Защита маршрута в плоском кольце, которая соответствует типу 1+1, может быть организована двумя путями.

Первый путь - используется защита на уровне трибных блоков TU-n, передаваемых по разным кольцам (основному и резервному). Весь основной трафик передается в одном из направлений (например, по часовой стрелке). Если в момент приема мультиплексором блока, посланного другими мультиплексорами, происходит сбой в одном из колец, система управления, осуществляющая постоянный мониторинг колец, автоматически выбирает такой же блок из другого кольца. Эта защита носит распределенный по кольцу характер, а сам метод носит название метода организации однонаправленного сдвоенного кольца.

Второй путь - защита маршрута может быть организована так, что сигнал передается в двух противоположных направлениях (восточном и западном), причем одно направление используются как основное, второе - как резервное. Такой метод в случае сбоя использует переключение с основного кольца на резервное и называется методом организации двунаправленного сдвоенного кольца. В этом случае блоки TU-n исходно имеют доступ только к основному кольцу. В случае сбоя происходит замыкание основного и защитного колец на границах дефектного участка, образующее новое кольцо. Это замыкание происходит обычно за счет включения петли обратной связи, замыкающей приемник и передатчик агрегатного блока на соответствующей стороне мультиплексора (восточной или западной). Современные

схемы управления мультиплексорами могут поддерживать оба эти метода защиты.

В третьем случае восстановление работоспособности осуществляется за счет резервирования на уровне трибных интерфейсов. Схема резервирования в общем случае М:1, что допускает различную степень резервирования: от 1:1 (100%) до меньшей степени, например, 4:1 (25%), когда на 4 основных трибных интерфейсных карты используется одна резервная, которая автоматически выбирается системой кросс-коммутации при отказе одной из основных. Этот метод широко (если не повсеместно) распространен в аппаратуре SDH/СЦИ для резервирования трибных карт 2 Мбит/с (4:1 или 3:1 для STM-1 или 16:1, 12:1, 8:1 для STM-4), а также резервирования наиболее важных сменных блоков, например, блоков кросс-коммутации и систем управления и резервного питания, время переключения которых на запасные не превышает обычно 10 мс.

В четвертом случае резервирование как таковое не используется, а работоспособность системы в целом (на уровне агрегатных блоков) восстанавливается за счет исключения поврежденного узла из схемы функционирования. Так, системы управления SDH/СЦИ мультиплексоров обычно дают возможность организовывать обходной путь, позволяющий пропускать поток агрегатных блоков мимо мультиплексора в случае его отказа.

В пятом случае, характерном для сетей общего вида или ячеистых сетей, в узлах сети устанавливаются кросс-коммутаторы систем оперативного переключения, которые осуществляют, в случае отказа, вызванного либо разрывом соединительного кабеля, либо отказом узла последовательной линейной цепи, реконфигурацию прилегающих (входящих или исходящих) участков сети и соответствующую кросс-коммутацию потоков. Процедура такой реконфигурации может быть централизованной или распределенной.

Использование систем оперативного переключения по принципу организации защиты напоминает схему резервирования 1:1 метода резервирования по разнесенным трассам. Разница, однако, состоит в том, что в последнем случае физический или виртуальный канал уже существует, тогда как в первом он формируется в момент оперативного переключения (действие более характерное для коммутатора/маршрутизатора в сетях пакетной коммутации).

Для повышения надежности функционирования дорожной сети используют резервирование по схеме 1+1 или 1:1 по разнесенным трассам, которые формируются в процессе использовании кольцевой топологии данной сети, и аналогичное резервирование терминального оборудования. В сетях отделений дороги используются плоские кольцевые сети.

Для кольцевой топологии Приднепровской железной дороги используется резервирование по схеме 1+1, при этом работоспособность системы будет восстанавливаться за счет исключения поврежденного узла из схемы функционирования и создания обходного пути.

Для организации отделенческой связи используется топология "плоское кольцо" с помощью двух оптических волокон в одном ВОК, при этом применяется оборудование STM-4. Для резервирования необходимо использовать второй такой же кабель с уровнем иерархии STM-4, т.е. организовать второе плоское кольцо.

Рисунок 10 - Схема соединений между станциями на дорожном уровне с учетом резервирования

Рисунок 11 - Схема соединений между станциями на отделенческом уровне с учетом резервирования

Пример расчета числа каналов для участка ОУ2-ОУ3:

“К3”+4“К2” = 8(К3Е1+2К3Е0)+4(К2Е1+2К2Е0) = 8(500Е1+2·500Е0)+4(250Е1+2·250Е0) = 5000Е1+10000Е0

Пример расчета числа каналов E1 для участка ОУ2-ОУ3:

STM-1.

Таблица 2 - Типы и количество каналов на каждом из участков железной дороги с учетом резервирования

Участок

Сумма

Расчет числа каналов

Количество Е1

Количество STM-1

1

ДУ(ОУ1)-ОУ2

8“К3”+4“К2”

5000Е1+10000Е0

5334

85

2

ОУ2-ОУ3

8“К3”+4“К2”

5000Е1+10000Е0

5334

85

3

ОУ3-ОУ4

8“К3”+4“К2”

5000Е1+10000Е0

5334

85

4

ОУ4- ДУ(ОУ1)

9“К3”+6“К2”

6000Е1+12000Е0

6400

102

5

ОУ4-ОУ5

3“К3”+3“К2”

2250Е1+4500Е0

2400

38

6

ОУ5- ДУ(ОУ1)

3“К3”+3“К2”

2250Е1+4500Е0

2400

38

7

ОУ3-ОУ6

2“К3”+2“К2”

1500Е1+3000Е0

1600

26


Таблица 3 - Типы и количество каналов для отделенческой сети связи железной дороги с учетом резервирования

Участок

Сумма

Расчет числа каналов

Количество Е1

Количество STM-1

1

ст1-ДУ(ОУ1)

2“К1”

200Е1+400Е0

214

4

2

ст3-ОУ2





3

ОУ2-ст4





4

ст5-ОУ3





5

ОУ3-ст6





6

ст11-ОУ6





7

ОУ6-ст12





8

ст7-ОУ4





9

ОУ4-ст8





10

ст10-ОУ5





11

ОУ5-ст9





12

ст2-ДУ(ОУ1)






1.5 Выбор системы передачи и ее характеристика

 
Синхронная цифровая иерархия (SDH/СЦИ). Основным отличием технологии SDH/СЦИ от PDH/ПЦИ является переход на новый принцип мультиплексирования. Технология SDH/СЦИ является базовой сетевой технологией и представляет собой современную концепцию построения цифровой первичной (транспортной) сети.

Технология SDH/СЦИ в окончательной версии поддерживает уровни иерархии каналов со скоростями передачи 155,52; 622,08; 2488,32; 9953,28; и 39813,12 Мбит/с (таблица 4). В транспортной сети пользовательские интерфейсы, соответствующие синхронным транспортным модулям STM-N более низкого уровня иерархии, могут служить полезной нагрузкой для сетевых элементов более высокого уровня. Технология SDH/СЦИ основана на полной синхронизации цифровых каналов и сетевых элементов в пределах всей сети, что обеспечивается с помощью соответствующих систем синхронизации и управления транспортной сетью.

 

Таблица 4 − Уровни иерархии и скорости передачи SDH/СЦИ

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

2488,32

ITU-T Рек. G.707

STM-64

9953,28

ITU-T Рек. G.707

STM-256

39813,12

Применяется “де-факто”

 

Цифровые каналы PDH/ПЦИ являются входными (полезной нагрузкой) для пользовательских интерфейсов сетей SDH/СЦИ. Применительно к европейскому стандарту интерфейсы передачи уровней E1, ЕЗ, Е4 PDH/ПЦИ (в соответствии с Рекомендацией G.703) являются входными каналами для транспортной сети SDH/СЦИ, в которой они передаются по сетевым трактам в магистралях сети в виде виртуальных контейнеров соответствующего уровня. Цифровая первичная (транспортная) сеть, как правило, строится на основе совокупности аппаратуры PDH/ПЦИ и SDH/СЦИ. Технологии PDH/ПЦИ и SDH/СЦИ взаимодействуют друг с другом через процедуры мультиплексирования и демультиплексирования цифровых потоков Е1, ЕЗ и Е4 PDH/ПЦИ в аппаратуре SDH/СЦИ.

Технология SDH/СЦИ по сравнению с PDH/ПЦИ имеет следующие особенности и преимущества:

-  предусматривает синхронную передачу и мультиплексирование, что приводит к необходимости построения систем синхронизации сети;

-       предусматривает прямое мультиплексирование и прямое демультиплексирование (ввод-вывод) цифровых потоков PDH/ПЦИ;

-       основана на стандартных оптических и электрических интерфейсах, что обеспечивает совместимость аппаратуры различных производителей;

-       позволяет объединить системы PDH/ПЦИ европейской и американской иерархии;

-       обеспечивает полную совместимость с аппаратурой PDH/ПЦИ, ATM и IP;

-  обеспечивает многоуровневое управление и самодиагностику транспортной сети.

Выберем оборудование передачи данных. Для обеспечения связи на Приднепровской железной дороге необходимы оптические мультиплексоры, обеспечивающие обмен информации по протоколам STM-4 и STM-64. Выберем мультиплексоры SDH/СЦИ - Siemens SURPASS hiT 7070 и SMA4/1.

Основное назначение системы SURPASS hiT 7070 - преобразование пакетов Ethernet с помощью процедуры GFP и последующая их передача поверх технологии

SDH с обратным преобразованием и выводом кадров Ethernet на приемной стороне. Притом поверх уровня STM-64 (10 Гбит/с) возможна передача до 2,5 Гбит/с Ethernet трафика. Системы DWDM и SDH образуют два различных уровня транспортной сети. Они функционируют и управляются независимо друг от друга, то есть сеть DWDM является прозрачной для всех других технологий передачи информации и, соответственно, может предоставлять оптическую среду для различных технологий в одном волокне. На мультиплексоры SDH возлагаются функции контроля качества передачи данных, а также функции защиты трафика. В случае потери сигнала по основному направлению мультиплексор SDH будет принимать сигнал с резервного направления. Перечень используемых модулей в системе SURPASS hiT 7070, а также их назначение приведено в таблице 5.

Таблица 5 - Перечень используемых модулей SURPASS hiT 7070

Название

Назначение

1. 

IFS10G-R - одиночный оптический интерфейс STM-64

Является оптическим интерфейсом для трафика системы. Осуществляет преобразование трафика из оптического в электрический, осуществляет восстановление данных. Также данная плата осуществляет генерацию оптического сигнала на требуемой длине волны.

2.

IFQGBE - квадратичный оптический Gigabit Ethernet

Осуществляет преобразование до четырех оптических сигналов Gigabit Ethernet в сигнал SDH. Также осуществляет функции контроля потока и ограничения битовой скорости, чтобы не допустить потерю пакетов. Поддерживает интерфейсы Ethernet 1000BaseSX (850 нм) и 1000BaseLX (1310нм).

3.

IFQGBE-E - квадратичный электрический Gigabit Ethernet

Осуществляет преобразование до четырех электрических сигналов Gigabit Ethernet в сигнал SDH. Также осуществляет функции контроля потока и ограничения битовой скорости, чтобы не допустить потерю пакетов. Вход и выход электрических сигналов реализован через разъемы RJ-45 на плате.

4.

SF160G - коммутационная матрица высшего разряда

Осуществляет переключения между всеми гнездами интерфейса. Реализует функции коммутации, ввода-вывода, защиты трафика. Общая мощность составляет 1024×1024 эквивалентов STM-1 (160 Гбит/с).

5.

SF10G - коммутационная матрица младшего разряда

Обеспечивает общую мощность 10 Гбит/с (64×64 эквивалентов STM-1). На нее возложены функции сборки виртуальных контейнеров.

6.

PF2G5 - пакетная коммутационная матрица RPR.

Обеспечивает защиту пакетного трафика на упругом пакетном кольце. Функционирует в рамках протокола инкапсуляции GFP.

7.

CLU - центральный тактовый генератор

Обеспечивает синхронизацию всего сетевого элемента путем получения внешнего сигнала синхронизации и подстройки собственного тактового генератора.

8.

SCOH - системный контроллер

Является основным контроллером системы и осуществляет управление всеми компонентами системы. Возможно удаленное управление системой с использованием служебных каналов связи.

9.

Статив с полками для оборудования

Служит для установки системы и обеспечения ее работы.


На рисунке 12 показан пример организации логических соединений между мультиплексорами SDH/СЦИ Siemens SURPASS hiT 7070. Также на рисунке изображены интерфейсные платы мультиплексоров (резервирование организовано по схеме 1+1 или 1:1 по разнесенным трассам, резервные платы показаны на сером фоне). Разные цвета логических соединений между мультиплексорами соответствуют различным длинам волн, вводимых в волоконно-оптический кабель. При этом резервное и основное направления передачи информации имеют одну длину волны. Выбор длин волн для организации связи осуществляется соответствии с рекомендацией ITU-T G.692 из стандартного перечня частот.

Рисунок 12 - Логические связи между мультиплексорами SDH/СЦИ

Мультиплексор SMA4/1 является новым поколением синхронного мультиплексора стандарта SDH, выполняющим мультиплексирование трибутарных сигналов PDH и SDH в агрегатный сигнал уровня STM-4. Продукт состоит из общей модулейформы аппаратно-программного обеспечения для сетевых приложений STM-1 и STM-4. Мультиплексор SMA4/1 обладает высокой степенью гибкости: он может использоваться как мультиплексор вставки/выделения, как местный кросс-коннектор или как обычный линейный терминал.

Мультиплексор SMA4/1 предлагает гибкое оснащение трибутарных интерфейсов в пределах от 2 Мбит/с PDH до оптических и электрических стыков STM-1 синхронной цифровой иерархии. Оборудование может вмещать ряд трибутарных съемных модулей, обеспечивающих 100-процентную вставку/выделение через неблокирующую матрицу коммутации с эффективной емкостью в 16 эквивалентов STM-1 (или 1008 TU-12). Возможны выделение и вставка на всех уровнях VC, в частности VC-4, VC-3 и VC-12.

Одной из основных характеристик SMA4/1 является общая платформа аппаратно-программного обеспечения, позволяющая без ограничений выполнять вставку/выделение сигналов, передаваемые со скоростью 2 Мбит/с (VC-12), непосредственно из линейных сигналов STM-1 или STM-4. В SMA4/1 имеется возможность выделения до 252 портов (по 2 Мбит/с) (42 порта на модуль) с возможностью резервирования трибутарных модулей 1:N.

Основные характеристики мультиплексора:

-  трибутарные электрические интерфейсы со скоростью передачи 2, 34, 45 и 140 Мбит/с, оптические и электрические интерфейсы STM-1, Ethernet 10/100 base T, Ethernet 100, а также оптические интерфейсы STM-4;

-       емкость матрицы кросс-коммутации 16 х STM-1 эквивалентов на уровне AU-4, TU-3, -2, -12;

-       функция полной вставки/выделения до 8 x STM-1 портов SDH и до 252 x 2 Мбит/с портов PDH;

-       возможность создания неблокируемых соединений линия-линия, линия-триб и триб-триб;

-       кольцевое межсоединение для колец на стороне линии и триба;

-       встроенные оптические усилители для оптических интерфейсов STM-4;

-  система защиты трафика, включая: 1+1 защиту секции мультиплексора для линейных и оптических трибутарных интерфейсов; 2-волоконное защитное переключение MS-SPRing (BSHR-2) для линейных и трибутарных сигналов STM-4 в конфигурациях самовосстанавливающегося кольца; SNC/P (защита тракта передачи), включая "Drop & continue";

-       защита оборудования: 1:1 защита модулей для всех оптических интерфейсов вместе с защитой секции мультиплексора (переключение модулей); 1+1 защита модулей для трибутарных интерфейсов 34 /45 Мбит/с; 1:n (n 3) защита модулей для трибутарных электрических интерфейсов 140 Мбит/с/ STM-1; 1:n (n 6) защита модулей для трибутарных интерфейсов 2 Мбит/с; опциональное резервирование модулей коммутации и синхронизации; распределенные встроенные вторичные источники питания;

-       автоматическое выключение лазера в соответствии с рекомендациями МСЭ G.958;

-       возможность загрузки ПО во все соответствующие модули системы;

-       поддержка служебной связи (EOW) и служебных каналов передачи данных (V.11, G.703);

-       управление непрерывным сцеплением сигналов VC-4-4c (с помощью преобразователя);

-       межсетевой обмен синхронных оптических сетей с сигналами STS-3-3c, STS-12-3c, STS-12-12c, STS - 48-3c, STS-48-12c и STS-48-48c;

-       измерение параметров (PM) на ближнем и дальнем конце на всех сигнальных уровнях.

Оборудование SMA4/1 представляет собой мультиплексор ввода/вывода STM-4, который также может использоваться в сетевых приложениях STM-1, с возможностью осуществлять коммутацию сигналов на уровнях VC-4, VC-3 и VC-12. Матрица коммутации состоит из двух модулей - SN-64 и IPU-16. Для повышения живучести системы применяется дублирование этих модулей. Модуль SN-64, кроме этого, выполняет роль модуля синхронизации и обеспечивает распределение синхросигнала внутри сетевого элемента.

Модуль контроллера SCU-R2E позволяет осуществлять контроль и мониторинг сетевого элемента SMA4/1. Все данные TMN системы обрабатываются модулем контроллера.

Линейные оптические модули OIS-4D поддерживают оптико-электрические преобразования линейного сигнала.

Трибутарные оптические модули уровня STM-1 имеют четыре оптических порта. SMA4/1 поддерживает несколько Ethernet интерфейсов - 4-х портовый модуль base T (2 порта упаковываются в VC-12, два порта в VC-3) и однопортовый модуль Ehternet 100 (порт упаковывается в VC-4).

Рисунок 13 - Структурная схема мультиплексора SMA4/1

1.6 Выбор типа кабеля

Современный мир телекоммуникаций сегодня уже невозможно представить без волоконно-оптических линий связи, в основе построения которых лежит кабель оптический. Постоянное расширение областей применения и условий эксплуатации волоконно-оптических линий связи спровоцировало создание множества видов оптического кабеля. Это в свою очередь позволило выполнять с максимальной эффективностью больший объем задач в телекоммуникационных сетях различного уровня, начиная от домашних компьютерных сетей и заканчивая межконтинентальными магистралями.

Изобретение оптического кабеля сложно переоценить, поскольку благодаря его непревзойденным характеристикам по передаче больших объемов информации на дальние расстояния, он стал самым перспективным видом кабельной продукции для создания телекоммуникационных сетей, который с каждым днем приобретает все большее распространение.

Кабель оптический обладает круглым сечением и состоит из двух основных частей - оболочки и сердцевины. Луч света, направляемый в сердцевину, распространяется по ней, путем многократного переотражения от границ раздела «оболочка-сердцевина». Причем показатель преломления оболочки несколько ниже показателя преломления сердцевины, что обеспечивает полное внутреннее отражение луча света.

Кабель оптический может быть одномодовым и многомодовым. Сердцевина одномодового оптического кабеля имеет диаметр 7-9 микрон. Благодаря такому диаметру, по одномодовому оптическому кабелю передаётся только одна мода электромагнитного излучения, в результате чего полностью исключаются помехи от дисперсионных искажений. По одномодовому оптическому кабелю информация передаётся на дальние расстояния от 2 км до 70-90 км (применяя специальные средства).

В многомодовом оптическом кабеле диаметр сердцевины равен 50 микронам (европейский стандарт) или 62,5 микрон (североамериканский и японский стандарт). Больший диаметр сердцевины, позволяет передаваться нескольким модам излучения одновременно, каждая из которых под своим углом, однако при этом импульс света начинает испытывать дисперсионные искажения, и как результат прямоугольный световой импульс становится колоколоподобным. Многомодовый кабель оптический используется в основном для внутренних локальных сетей и прокладывается на расстояние до 1 км.

Преимущества использования оптического кабеля для построения телекоммуникационных сетей разнообразного предназначения:

затухание светового потока с низким коэффициентом, благодаря чему световой поток не теряет информацию при прохождении достаточно больших расстояний;

большая полоса пропускания, дающая возможность прохождения через одно оптоволокно множества терабит за 1 секунду;

низкий уровень шума, обеспечивающий значительное расширение полосы пропускания;

устойчивость к различного рода помехам, в том числе, к электромагнитным, благодаря отличным диэлектрическим характеристикам оптоволокна;

обладание малым весом и небольшим объемом в отличие от медного кабеля, что делает оптический кабель более маневренным и универсальным;

наличие системы защиты информации. Заполучить информацию, которая передается по оптическому кабелю, без нарушения его целостности невозможно. Все

изменения будут зафиксированы и моментально заблокированы сенсорными системами, реагирующими на минимальные колебания и перемены давления. Это дает возможность использовать оптический кабель в телекоммуникационных сетях с повышенными требованиями к защите информации;

отличные изолирующие свойства, исключающие появление «земельной» петли (разности потенциалов) в случае повреждения оптического кабеля;

обладание хорошими характеристиками пожаро- и взрывобезопасности, благодаря материалам из которых изготавливается оптический кабель, упреждающих образование искр;

высокая надежность и универсальность, позволяющие использовать оптические кабели при любых погодных условиях, а также при наличии других нестандартных условиях (ультрафиолетовое излучение, влажность, химически агрессивные вещества);

отличная гибкость оптического кабеля, дает возможность для его прокладки в местах с тяжелым доступом, к примеру, прокладка кабеля в канализации;

относительно нетрудоемкое выполнение работ по прокладыванию, сращиванию и конфекционированию оптического кабеля, и неважно это будет кабель самонесущий (кабель для подвеса) или же кабель в грунт;

стоимость оптических комплектующих имеет тенденцию к снижению, в сравнении с медными сетями, требующими все большие материальные вложения;

длительный срок эксплуатации, составляющий более 25 лет.

В данном курсовом проекте для укладки в грунт на Приднепровской железной дороге был выбран бронированный кабель типа ОКТКК.

Кабель типа ОКТКК предназначен для использования при повышенных требованиях устойчивости к механическим воздействиям на магистральных, зоновых и городских сетях связи при прокладке ручным и/или механизированными способами непосредственно в грунтах всех категорий, в том числе в районах с высокой коррозийной агрессивностью и территориях, зараженных грызунами, в районах сыпучих грунтов и грунтовых сдвигов, с проявлениями мерзлотно-грунтовых деформаций, через болота, озера, сплавные и судоходные реки глубиной до 50 метров. Может прокладываться в кабельной канализации, трубах, блоках.

Структура кабеля:

1.  Пучок из оптических волокон;

2.  Тиксотропный гидрофобный заполнитель;

3.         Центрально расположенная трубка;

4.         Броня из двух слоев, спирально наложенных круглых стальных оцинкованных проволок (заполнение пустот брони - гидрофобным гелем);

5.         Защитный шланг из полиэтилена.

Варианты исполнения:

1.  Волокна, свободно уложенные в центральной трубке;

2.  Металлопластмассовая оболочка или защитный шланг с применением алюминиевой ламинированной ленты;

3.         Промежуточная оболочка из полиэтилена;

4.         Специальный защитный шланг, устойчивый к термитам.

Таблица 6 - Передаточные характеристики кабеля типа ОКТКК

Диапазон коэффициента затухания на опорных длинах волн, не более, дБ/км

Ширина полосы пропускания для МОВ на опорных длинах волг, не менее, МГц

ООВ - 1310нм

ООВ - 1550нм

МОВ - 850 нм

МОВ - 1300нм


0.36

0.25

3.0

1.0

500


Таблица 7 - Массогабаритные характеристики кабеля типа ОКТКК

Количество ОВ в кабеле, шт.

Масса кабеля, кг/км

Диаметр кабеля, мм

2 - 144

450 -1 250

14 - 20


Таблица 8 - Механические и климатические характеристики кабеля типа ОКТКК

Минимальный радиус изгиба, мм

Допустимое растягивающее усилие, кН

Допустимое раздавливающее усилие, не более, Н/100мм

Диапазон рабочих температур, °С

Температура хранения, °С

Температура монтажа, °С

20×диаметров кабеля

10 - 20

5000

-40 - +60

-50 - +60

-10 - +60


Строительная длина кабелей должна быть - 1000, 1500, 2000, 2500, 3000, 3500, 4000, 4500, 5000, 5500, 6000 м.

2. Расчет параметров волоконно-оптических линий связи

.1 Расчет длины усилительного участка

Для борьбы с затуханием оптического сигнала по мере его прохождения по линии связи чаще всего используют оптические усилители на волокне легированном эрбием. Данный вид усилителей имеет ряд преимуществ, которые обусловили их широкое распространение в последнее время. Во-первых, для работы данного класса усилителей не требуется подстройка под частоту передаваемого сигнала. Во-вторых, усиление ведется в довольно широкой полосе частот. Эти преимущества позволяют легко наращивать емкость сети, не изменяя оборудования линий связи. В-третьих, для усиления сигнала не требуется его преобразование в электрическую форму. Также оптические усилители работают с сигналами любой формы и назначения. Эти преимущества делают их просто незаменимыми для работы совместно с системами WDM. Но наряду со своими преимуществами оптические усилители имеют ряд особенностей, которые необходимо обязательно учитывать при проектировании волоконно-оптических линий связи.

Помимо затухания, вносимого оптическим волокном, его также вносят разъемные и неразъемные соединения волокна. Поэтому необходимо учесть потери мощности сигнала при его вводе в волокно и обеспечить определенный технологический запас мощности.

Расчет длины участка усиления:

. (1)

где    Lстр - строительная длина кабеля, Lстр =6км;

рпер - уровень сигнала на передающей стороне, рпер =7 дБ;

рпр - требуемый уровень сигнала на приемной стороне, рпр =-13 дБ;

nр - количество разъемных соединений в линейном тракте, =2;

- затухание в разъемном соединителе, =0,4 дБ;

- энергетический запас на старение элементов оптического тракта: источника излучения, волоконно-оптического кабеля, оптоэлектронного преобразователя, уход параметров электрических схем, =3дБ;

αвв - потери при вводе оптической энергии в волокно, когда источник излучения непосредственно подсоединяется к станционному кабелю, αвв =2 дБ;

αн - затухание в неразъемном (сварном) соединении, αн =0,05 дБ;

αкм - километрическое затухание оптического кабеля, на длине волны 1550нм αкм=0,25 дБ/км.

Тогда

 км

Рассчитанная таким образом длина усилительного участка справедлива для обоих направлений передачи информации, если используется одинаковое оборудование с одинаковыми уровнями сигнала.

2.2 Расчет длины регенерационного участка

) Расчет мощности шума вносимого усилителем.

Используемые оптические усилители имеют ряд отличительных особенностей. Одна из них состоит в том, что в отсутствии входного сигнала усилитель является источником спонтанного излучения фотонов. Спектр излучения зависит от формы энергетической зоны атомов эрбия и от статистического распределения заселенностей уровней зоны. Спонтанно образованные фотоны, распространяясь по волокну в активной зоне усилителя EDFA, тиражируются, в результате чего создаются вторичные фотоны на той же длине волны, с той же фазой, поляризацией и направлением распространения. Результирующий спектр спонтанных фотонов называется усиленным спонтанным излучением (ASE - amplified spontaneous emission). Его мощность нормируется в расчете на 1 Гц и имеет размерность Вт/Гц. Если на вход усилителя подается сигнал от лазера, то определенная доля энергетических переходов, ранее работавшая на усиленное спонтанное излучение, начинает происходить под действием сигнала от лазера, усиливая входной сигнал. Таким образом, происходит не только усиление полезного входного сигнала, но и ослабление ASE. Но, несмотря на это, необходимо все же учитывать шумы, вносимые оптическими усилителями. Накопленный шум влияет на качество передаваемого сигнала, и в случае уменьшения ОСШ ниже требуемого уровня необходима регенерация сигнала. Потому необходимо рассчитать максимально возможное количество усилителей оптического сигнала, расположенное между регенераторами.

Мощность усиленного одним оптическим усилителем спонтанного излучения можно найти по формуле:

, (2)

где    h - постоянная планка, h = 6,6252 · 10-34 Вт·с2;

ν - частота в соответствии с используемой длиной волны, ν =193.2· 1012 Гц;

nsp - коэффициент спонтанной эмиссии, nsp = 2, поскольку распространяются две моды поляризации;

η - квантовая эффективность, η = 1;

G - коэффициент усиления усилителя, раз (в абсолютных единицах измерения), G=100.

Тогда


Мощность шума Pш_ASE усилителя для полосы частот, в которой осуществляется передача сигнала (Δf=100ГГц):

   (3)

Тогда


Располагая вычисленными характеристиками шума, вносимого оптическим усилителем, можно найти максимально возможное количество оптических усилителей, после прохождения которых сохраняется требуемое отношение сигнал-шум.

) Расчет отношения сигнал-шум.

При передаче сигнала по волоконно-оптической линии с усилителями EDFA происходит накопление шумов. Данное явление обусловлено двумя факторами: усилением входного шума и добавлением к нему усиленного спонтанного излучения. Входным шумом для первого оптического усилителя является мощность шума нулевых флуктуаций, которой можно пренебречь.

Найдем абсолютный уровень сигнала:

,      (4)

где  - нулевой уровень сигнала ( В);


Для нахождения мощность шума на выходе k-го усилителя используется формула:

 (5)

Для нахождения уровня шума на выходе k-го усилителя используется формула:

 (6)

Тогда получим


Для нахождения отношения сигнал-шум в дБ на выходе k-го усилителя используется формула:

, (7)

где    рвых - уровень сигнала на выходе оптического усилителя, дБ;

рш_ASE - уровень шума вносимого оптическим усилителем, дБ.

Тогда получим


Рассчитанные значения можно представить в виде графика (рисунок 14).

Помимо этого, на графике показаны уровни сигнала и шума после прохождения нескольких оптических усилителей, а также требуемое ОСШ в 25 дБ. Эти результаты справедливы для двух направлений передачи информации. Видно, что с увеличением количества оптических усилителей возрастает уровень накопленного шума в линии. Это ведет к уменьшению отношения сигнал-шум. На примере требуемое ОСШ сохраняется на выходе линии с использованием 7 оптических усилителей. Далее необходима регенерация сигнала, поскольку уровень накопленного шума достаточно высок. Его большее увеличение приведет к снижению качества передаваемой информации.

Рисунок 14 - ОСШ линии связи с несколькими оптическими усилителями


Регенератор состоит из оптического демультиплексора, оптического мультиплексора и нескольких регенераторов для каждого канала. В качестве мультиплексора и демультиплексора регенератора используются такие же модули, что и в оконечном оборудовании.

Регенерационный участок линии связи состоит из последовательно установленных оптического мультиплексора, оптических усилителей и оптического демультиплексора. Для примера, представленного на рисунке 12 длина регенерационного участка определяется по следующей формуле:

. (8)

Рассчитанные расстояния (кроме ОУ3-ОУ6) между отделениями дороги не превышают полученного значения , то использовать регенератор нецелесообразно. Т.к. расстояние между ОУ3-ОУ6 составляет 475км, то будем использовать регенератор.

2.3 Расчет дисперсии оптического волокна

) Расчет хроматической дисперсии.

Дисперсия - это явление уширения импульсов при передаче по оптическому волокну. Она имеет размерность времени и определяется как квадратичная разность длительностей импульсов на выходе и входе кабеля длины L по формуле:

.   (9)

Обычно дисперсия нормируется в расчете на 1км, и измеряется в пс/нм·км. В одномодовом волокне на распространение сигнала оказывают влияние как хроматическая, так и поляризационно-модовая дисперсия. Хроматическая дисперсия, в свою очередь, имеет две составляющие: материальную и волноводную. Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления волокна от длины волны. Волноводная дисперсия обусловлена зависимостью коэффициента распространения моды от длины волны. Удельная хроматическая дисперсия вычисляется по формуле:

, (10)

где    S0 - наклон дисперсионной кривой одномодового волокна на длине волны нулевой дисперсии, S0=0.09пс/(нм2×км);

l - рабочая длина волны, l=1550нм;

l0 - длина волны нулевой дисперсии, l0=1310нм.

Тогда


Хроматическая дисперсия волокна рассчитывается по формуле:

,    (11)

где    σн - рассчитанная выше удельная хроматическая дисперсия;

Δλ - ширина спектра излучения источника сигнала;

L - длина волоконно-оптической линии.

Ширину спектра передаваемого сигнала можно рассчитать по формуле:

, (12)

где    Δf - ширина полосы спектра передаваемого сигнала;

fн - несущая частота, на которой осуществляется передача информации;

с - скорость света.

Тогда


Для ширины полосы в 100 ГГц Δλ = 0,8 нм.

Тогда хроматическая дисперсия волокна будет равна:


Для оптического интерфейса STM-64 допустимое значение дисперсии составляет 400пс. Необходимо свести хроматическую дисперсию к минимуму и этим обеспечить необходимый технологический запас на старение волокна.

Наиболее распространены два способа борьбы с дисперсией. Первый из них - это регенерация оптического сигнала, осуществляемая путем преобразования сигнала в электрическую форму, его регенерации и обратного преобразования в оптическую форму. Для группового DWDM сигнала необходимо демультиплексировать сигнал на отдельные каналы и установить на каждый канал отдельный регенератор. После регенерации необходимо снова провести мультиплексирование всех передаваемых длин волн. Очевидно, что использование подобных регенераторов выгодно только в точке приема передаваемого сигнала. Использование таких регенераторов для компенсации дисперсии экономически не выгодно.

Второй способ борьбы с дисперсией не предусматривает преобразования в электрическую форму. Для компенсации дисперсии используются волокна, имеющие отрицательное значение хроматической дисперсии. Модуль удельной дисперсии такого волокна намного больше, чем у стандартного одномодового. Потому для компенсации дисперсии требуется намного меньший отрезок волокна, чем длина участка линии связи. Компенсация дисперсии производится путем вставки в кабель модуля с волокном компенсации дисперсии. Модули компенсации дисперсии (DCM) поставляются вместе с оборудованием. Использование такого метода не требует демультиплексирования составного оптического сигнала. Также следует отметить, что данный метод борьбы с дисперсией не накладывает никаких ограничений на скорость и форму передаваемого сигнала.

Для компенсации хроматической дисперсии используют волокно со следующими параметрами:

 

S0 = 0,75 ;

l0 = 1750 нм.

Используя (10) и (11) найдем длину волокна, необходимую для компенсации хроматической дисперсии всей линии связи.

 . (13)

Тогда


Оптимальным будет установка нескольких модулей компенсации, которые включаются между каскадами оптических усилителей платы оптического интерфейса. Так минимизируется влияние затухания волокна компенсации дисперсии на передаваемый сигнал. Два модуля DCM можно установить на оконечных пунктах волоконно-оптической линии, а остальные - совместно с оптическими усилителями.

2) Расчет поляризационно-модовой дисперсии.

Поляризационно-модовая дисперсия (ПМД) возникает из-за неидеальной геометрии волокна и, как следствие, различной скорости распространения двух взаимно перпендикулярных поляризационных составляющих моды. Она рассчитывается по формуле:

,        (14)

где    Т - коэффициент удельной дисперсии в расчете на 1км ,

L - расстояние линии передачи (км).

ПМД еще имеет название дифференциально-групповой задержки, так как показывает разность во времени прохождения двух перпендикулярных составляющих моды. Значение удельной дисперсии выбирается в зависимости от типа волокна.

Расстояние, ограничиваемое поляризационной модовой дисперсией, может быть описано следующим выражением:

,     (15)

где В - скорость передачи информации, для STM-64 В=9953,28Мбит/с или 9,9Гбит/с; Т - коэффициент удельной дисперсии в расчете на 1км, Т=0,1. Отсюда максимальное расстояние передачи:

. (16)

Тогда


Т.к. расстояния между отделениями дороги не превышают 10203 км, то расчет ПМД не нужен, потому что она не оказывает влияние на проектируемую линию передачи.

.4 Расстановка усилительных пунктов

Для расстановки усилителей необходимо найти общее количество усилительных участков:

.      (17)

Для двух направлений передачи сигнала целесообразно устанавливать усилители в одном и том же месте и на одинаковом расстоянии, тем самым обеспечивая одинаковые параметры передаваемых сигналов.

Пример структурной схемы волоконно-оптической линии связи изображен на рисунке 15. На ней показаны усилители оптических мультиплексоров 1 и 5, расположенные в оконечных пунктах проектируемой линии, а также линейные оптические усилители 2 - 4. Усилители с установленными модулями компенсации дисперсии (DCM) обозначены на чертеже буквой «τ».


Т.к. расстояние между ОУ3-ОУ6 составляет 475км, что больше длины регенерационного участка, то вместо 8-го оптического усилителя будем использовать регенератор.

Рисунок 15 -Структурная схема волоконно-оптической линии связи для участка ОУ1-ОУ5

3. Экономический раздел

.1 Ведомость объема работы

Ведомость объема работы включает в себя комплекс работ по установке, монтажу, регулировке и настройке проектируемого оборудования, комплекс работ по строительству кабельной линии, прокладке, подвеске, монтажу и измерениям на кабельной линии связи, а также стоимость этих работ. Примерный вид ведомости объема работы приведен в таблице 9.

Таблица 9 - Ведомость объема работы

Наименование работ

Примечание

1

Монтаж оборудования: комплекс работ по установке, монтажу, регулировке и настройке проектируемого оборудования

Процент берется от итога стоимости оборудования

2

Строительно-монтажные работы: комплекс работ по строительству кабельной линии, прокладке, подвеске, монтажу и измерениям на кабельной линии связи

Процент берется от стоимости кабеля



3.2 Ведомость материалов и оборудования

Таблица 10 - Ведомость оборудования


Таблица 11 - Перечень устройств, приспособлений и приборов, применяемых при монтаже ОК



4. Техника безопасности и охрана труда при строительстве волоконно-оптической линии связи

При строительстве ВОЛС проводят работы по прокладке кабеля, как с использованием средств механизации, так и вручную.

В рабочих чертежах на прокладку кабеля на планах расположения трассы кабеля должны указываться опасные места производства работ, пересечения с газопроводами, нефтепроводами и другими продуктопроводами, с силовыми кабелями и магистральными кабелями связи, а также делаются предупреждающие надписи об осторожности проведения работ на пересечениях кабеля связи с этими подземными коммуникациями.

Для проведения работ по прокладке кабеля распоряжением руководителя предприятия должен быть назначен старший. При прокладке кабеля, на особо ответственных участках, обязательно присутствие руководителя работ (прораба, инженера, бригадира и т.п.).

При прокладке кабеля ручным способом на каждого работника должен приходиться участок кабеля массой не более 20 кг. При подноске кабеля к траншее на плечах или в руках все работники должны находиться по одну сторону от кабеля.

Размотка кабеля с движущихся транспортеров (кабельных тележек) должна выполняться по возможности ближе к траншее. Кабель должен разматываться без натяжения для того, чтобы его можно было взять, поднести и уложить в траншею.

Внутренний конец кабеля, выведенный на щеку барабана, должен быть закреплен. Транспортер должен иметь приспособление для торможения вращающего барабана.

Прокладка кабеля кабелеукладчиками разрешается на участках, не имеющих подземных сооружений. Перед началом работы необходимо осмотреть основные элементы кабелеукладочного агрегата и убедиться в их исправности. При обнаружении неисправности работать на тракторе или кабелеукладчике запрещается.

Прокладка кабеля под проводами воздушной линии электропередачи допускается только при условии соблюдения расстояний от кабелеукладчика, с погруженным на него барабаном, до проводов линий электропередачи.

На кабелеукладчике стоять или сидеть разрешается только на специально предназначенных для этого площадках или сидениях. Заходить на заднюю рабочую площадку кабелеукладчика для проверки исправности и соединения концов кабеля можно во время остановки колонны и только работника, руководящего прокладкой кабеля. Во время движения кабелеукладчика находиться на этой площадке запрещается.

При работе с машинами и механизмами (кабелеукладочной техникой), ручным вибрационным инструментом вредными факторами являются шум и вибрация. Следовательно, необходимо использовать индивидуальные средства защиты: рукавицы, защитные очки, виброгасящие рукавицы, противошумовые наушники. Самым опасным фактором при строительстве ВОЛС является лазерное излучение, а самым вредным - работа с виброинструментом.

С целью улучшения условий труда на объектах строительства применяются монтажно-измерительные машины, позволяющие монтажникам и измерителям выполнять сложные и утомительные работы, для чего обеспечивается соответствующее освещение, вентиляция воздуха, надлежащее рабочее место.

При выполнении монтажных работ следует помнить и соблюдать меры безопасности при работах с оптическим кабелем, которые определяются его механическими и геометрическими параметрами.

Опасным фактором при сращивании оптического кабеля является то, что волокна в оптическом кабеле соединяются при помощи сварки электрической дугой с температурой 18000 °С. Сварочный аппарат при сварке необходимо заземлять, все подключения и отключения прибора осуществляются при снятом напряжении питания, сварка проводится под закрытым кожухом. К работе допускаются лица квалификационной группой не ниже III и не имеющие медицинских противопоказаний. При монтаже оптических волокон нужно помнить, что дуговой разряд, возникающий между электродами сварочного аппарата, может быть причиной возгорания горючих газов в смотровых устройствах телефонной канализации.

В монтажно-измерительной автомашине отходы оптического волокна при разделке (сколе) необходимо собирать в ящик, а после окончания работ закапывать в грунт. Необходимо также избегать попадания остатков оптического волокна на одежду, работу с волокном производить в клеенчатом фартуке; монтажный стол и пол в монтажно-измерительной автомашине после каждой смены обрабатывать пылесосом и затем протирать мокрой тряпкой; тряпку отжимать в плотных резиновых перчатках.

Также необходимо при механизированной прокладке ОК в кабельной канализации обеспечивать надежную служебную связь каждого колодца, в котором находится вспомогательный персонал; при работе с оптическими тестерами не допускать попадания излучения в глаза.

5. Графический материал

.1 Структурная схема сети связи дороги

Структурная схема сети связи Приднепровской железной дороги представлена в Приложении А.

На данной схеме приняты условные обозначения мультиплексоров Siemens SURPASS hiT 7070 и SMA4/1, представленных на рисунке 16.

 

Рисунок 16 - Структурное изображение используемых мультиплексоров:

а) мультиплексор SMA4/1 на оконечной станции;

б) мультиплексор SMA4/1 для соединения двух станций;

в) мультиплексор Siemens SURPASS hit 7070

5.2 Поперечный разрез оптического кабеля

Структура оптического кабеля ОКТК представлена на рисунке 17.

Структура кабеля содержит следующие элементы:

1) оптические волокна, сгруппированные в пучки;

) тиксотропный гидрофобный заполнитель;

) центрально-расположенная трубка;

) броня из двух слоев круглых стальных оцинкованных проволок;

) защитный шланг из полиэтилена.

Заключение

В ходе выполнения данного курсового проекта была спроектирована инфокоммуникационная оптическая сеть связи Приднепровской железной дороги с применением современных технологий - оптического волокна и системы передачи синхронной иерархии SDH.

Также были осуществлены выбор необходимого уровня иерархии системы передачи, выбор типа оптического кабеля, расчет длин усилительных, регенерационных участков и расчет величины хроматической и поляризационно-модовой дисперсии. В разделе охраны труда описаны способы строительства кабельной линии передачи. Был разработан структурный план трассы кабельной линии на Приднепровской железной дороге.

Рассмотрены основные принципы построения ведомостей объема работы, материалов и оборудования.

Таким образом, в результате выполнения данного курсового проекта получены необходимые навыки проектирования ВОЛС с применением современных систем передачи.

Список использованных источников

1.   Виноградов В.В. Волоконно-оптические линии связи /В.В. Виноградов, В.К. Котов, В.Н. Нуприк //Учебное пособие для техникумов и колледжей ж.-д. трансп. - М.: ИПК «Желдориздат», 2002. - 278с.

2.       Кириллов В.И. Многоканальные системы передачи /В.И. Кириллов //Учебник для ВУЗов - М.: Новое знание, 2002. - 751с.

.        Ракк М.А. Измерения в технике связи /М.А. Ракк //Учебник. - М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2008. - 312с

.        Фриман Р. Волоконно-оптические системы связи /Р. Фриман //Пер. с англ. Изд. 4, доп. (Мир связи) - М.: Техносфера, 2007. - 512с.

.        Гордиенко В.Н. Многоканальные телекоммуникационные системы /В.Н. Гордиенко, М.С. Тверецкий //Учебник для вузов. - М.: Горячая линия-Телеком, 2007. - 416с

.        Ресурсы сети INTERNET.

Список сокращений

ASE Amplified spontaneous emission Спектр спонтанных фотоновAsynchronous Transfer Mode Асинхронный режим передачи (АРП) /CD Carrier Sense Multiple Access Множественный доступ с with Collision Detection контролем несущей и обнаружением коллизийDynamic Packet Transport Технология передачи IP-трафикаDispersion Compensation Module Модули компенсации дисперсииDense Wavelength Division Плотное волновое Multiplexing мультиплексирование Erbium Doped Fiber Amplifier Усилитель EDFA (оптический усилитель на волокне, легированном эрбием) International Telecommunication Международный союз Union телекоммуникаций (структурное подразделение ООН)

IP Internet protocol Маршрутизируемый сетевой протокол

LLC Logical Link Control Подуровень управление логическим соединением

OSI Open Systems Interconnection Базовая эталонная модель Basic Reference Model взаимодействия открытых систем

МАС Medium Access Control Подуровень управление доступом к средеPlesiochronous Digital Hierarchy Плезиохронная цифровая иерархия (ПЦИ)Paсket over SDH Технология с инкапсуляцией пакетов IPSynhcronous Digital Hierarchy Синхронная цифровая иерархия (СЦИ)

STM Synchronous Transfer Mode Синхронный транспортный модуль

TCP/IP Transmission Control Набор сетевых протоколов Protocol/Internet Protocol) разных уровней

WDM Wavelength Division Multiplexing Волновое  мультиплексирование

ВОСП Fiber-optic link of Handing Волоконно-оптическая линия передач

ВОК Волоконно-оптический кабель

ВОЛС Волоконно-оптические линии связи

ВОСП Волоконно-оптические системы передачи

ДУ Управление дороги

ЛЭП Линии электропередачи

ОбТС Телефонная сеть общего пользования

ОВ Оптическое волокно

ОД Отделение дороги

ОК Оптический кабель

ОСШ Отношение сигнал-шум

ОТС Оперативно-технологическая связь

ОУ Отделение дороги

ПМД Поляризационно-модовая дисперсия

СПД Системы передачи данных

Ст Промежуточная станция

УД Управление дороги

Похожие работы на - Проектирование инфокоммуникационной оптической сети железной дороги

 

Не нашел материал для своей работы?
Поможем написать качественную работу
Без плагиата!