Разработка цифровой сети связи на базе технологии SDH и ВОЛС

Разработка цифровой сети связи на базе технологии SDH и ВОЛС

Введение

В настоящее время системы связи стали одной из основ развития общества. Спрос на услуги связи, от обычной телефонной связи до широкополосного доступа в Интернет, постоянно растет. Это предъявляет новые требования к современным сетям связи, их пропускной способности, надежности, гибкости. Сейчас уже общепризнанно, что удовлетворить потребности человеческого общества в передаче информации можно только на основе волоконно-оптических систем связи.

Являясь частью инфраструктуры экономики, они играют чрезвычайно важную роль в развитии общества, определяют степень его развития. Эволюция сетей телекоммуникаций включает в себя закономерный переход к цифровым сетям, происходивший поэтапно.

В начале 60-х годов в нескольких странах появились отдельные цифровые линии, построенные по принципу импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) с использованием временного разделения каналов (ВРК). Цифровые каналы имеют значительно меньшую вероятность ошибки (10^-6) по сравнению с аналоговыми каналами (10^-4) и их производительность в 5-7 раз выше аналоговых. Таким образом, развитие цифровых телекоммуникационных сетей берет свое начало с момента появления цифровых систем передачи (СП).

Цифровые СП требовали синхронизации потока бит, что осуществлялось независимо от систем коммутации (СК), и на этом этапе не возникало необходимости в синхронизации сети в целом. С точки зрения стандартизации в это время были приняты важные соглашения, а именно, частота 8 кГц была выбрана в качестве частоты дискретизации речевых сигналов, а 64 Кбит/с - в качестве скорости их передачи. Тем не менее, стандарты, поддерживающие транспортные уровни в Европе и Северной Америке различны.

Так, в европейской системе (Бразилия поддерживает европейский стандарт), базовый сигнал состоит из 32 каналов по 64 Кбит/с каждый с общей скоростью 2048 Кбит/с, а северо-американский стандарт (Япония придерживается американского стандарта) содержит 24 канала по 64 Кбит/с каждый с общей скорость равной 1544 Кбит/с. Цифровая иерархия, построенная на основе этих базовых скоростей с последующим мультиплексированием, получила название плезиохронной цифровой иерархии, ПЦИ (Plesiochronous Digital Hierarchcy, PDH).

Следующий этап в развитии телекоммуникационных сетей, который можно считать революционным, уходит своими корнями в 60-е годы. В это время были разработаны лазеры (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, LASER), которые нашли широкое применение в телекоммуникации при создании волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). Очевидными преимуществами ВОЛС являются низкая вероятность ошибок.

В 1985 году в Соединенных Штатах Америки появилась первая синхронная оптическая сеть SONET (Synchronous Optical Network), использующая принцип синхронного мультиплексирования. С помощью нового принципа мультиплексирования была решена проблема сопряжения ВОЛС с телекоммуникационным оборудованием. В дальнейшем принципы, использованные в SONET, были применены при создании международного стандарта, получившего название синхронной цифровой иерархии, СЦИ (Synchronous Digital Hierarcy, SDH). Основным достоинством СЦИ по сравнению с ПЦИ является снятие необходимости демультиплексирования всего цифрового сигнала для извлечения индивидуального информационного канала. Это достигнуто путем введения специальных указателей (pointers).

1. Перспективы использования АТМ

Технология АТМ обладает важными преимуществами перед существующими методами передачи данных в локальных и глобальных сетях, которые должны обусловить ее широкое распространение во всем мире.

Одно из важнейших достоинств АТМ - обеспечение высокой скорости передачи информации (широкой полосы пропускания). Появление надежных аппаратно-программных средств сети Ethernet для скорости 1 Гбит/с еще ожидается в перспективе, в то время как АТМ уже сейчас обеспечивает скорость 622 Мбит/с.

АТМ устраняет различия между локальными и глобальными сетями, превращая их в единую интегрированную сеть. Сочетая в себе масштабируемость и эффективность аппаратной передачи информации, присущие телефонным сетям, метод АТМ обеспечивает более дешевое наращивание мощности сети. Это - техническое решение, способное удовлетворить грядущие потребности, поэтому многие пользователи выбирают АТМ часто больше ради ее будущей, нежели сегодняшней значимости.

Стандарты АТМ унифицируют процедуры доступа, коммутации и передачи информации различного типа (данных, речи, видеоизображений и т.д.) в одной сети связи с возможностью работы в реальном масштабе времени. В отличие от ранних технологий локальных и глобальных сетей, ячейки АТМ могут передаваться по широкому спектру носителей от медного провода и волоконно-оптического кабеля до спутниковых линий связи, при любых скоростях передачи, достигающих сегодняшнего предела 622 Мбит/с. Технология АТМ обеспечивает возможность одновременного обслуживания потребителей, предъявляющих различные требования к пропускной способности телекоммуникационной системы.

1. Технический раздел

.1 Обоснование темы проектирования, выбор кабеля, выбор системы передачи

В настоящее время стоимость ВОК сопоставима, а в ряде случаев ниже стоимости магистральных симметричных кабелей связи. В качестве основного вида направляющей системы при новом строительстве и увеличении пропускной способности существующих линий используется ВОК.

Стремительное внедрение в информационные сети всех уровней оптических линий связи является следствием преимуществ, вытекающих из особенностей распространения сигнала в оптическом волокне: высокая помехозащищенность, широкая полоса пропускания, малое затухание светового сигнала в волокне, низкий уровень шумов, гальваническая развязка элементов сети, малый объем и вес, а так же длительный срок эксплуатации, он допускает различные варианты подвески, прокладки в зависимости от условий эксплуатации.

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

Все оптические волокна делятся на одномодовые и многомодовые

(SMF и MMF). Многомодовые волокна MMF изготавливаются со ступенчатым и градиентным профилем. Многомодовое волокно MMF имеет довольно большой диаметр сердцевины 50 или 62,5 мкм при диаметре оболочки 125мкм. Световод покрывается защитным покрытием. Диаметр волокна с защитным покрытием стандартизирован, в телекоммуникациях в основном используется волокно с диаметром 250мкм. Так же применяется буферное покрытие диаметром 900мкм, нанесенное на первичное 250мкм покрытие. Одномодовые волокна SMF были изготовлены раньше, чем градиентные многомодовые волокна, также подразделяются на ступенчатые одномодовые волокна или стандартные SF, на волокна со смещенной дисперсией DSF и на волокна с нулевой смещенной дисперсией NZDSF.

Одномодовые волокна дешевле, чем многомодовые. Однако более высокая цена лазерных источников излучения приводит к более высокой стоимости коротких линий передачи данных в зданиях по сравнению с вариантом многомодового волокна + светоизлучающие диоды.

В настоящее время в сетях связи одномодовые волокна вытесняют многомодовые и используются не только на участках магистральной, зоновой сети связи, но и сетях местной и корпоративной связи. В таблице 1 представлены области применения и стандарты ОВ.

Таблица 1 - Области применения и стандарты ОВ.

При выборе типа ВОК следует отдавать предпочтения самонесущим кабелям без металлических элементов в их конструкции, как не требующим применение специальных мер защиты от опасных электромагнитных влияний со стороны контактной сети переменного тока и грозовых разрядов.

Оптический кабель для строительства ВОЛС вдоль железных дорог должен выбираться с учетом:

его использования не только для нужд магистральной сети ж.д. транспорта но и для отделенческой сети. А так же для резервирования общегосударственных сетей связи или сетей других ведомств (т.е. в кабеле должно быть достаточное число волокон, не менее 16);

способы прокладки (непосредственно в грунте, кабельной канализации, кабельном желобе или подвеской ВОК);

технологии монтажа ВОЛС и способа выполнения аварийно-восстановительных работ для неразъемных соединений - сварка или механическое соединения, для разъемных с указанием типов коннекторов).

Надежность ВОЛС определяется выбором трассы, прочностью опор, характеристиками крепежной арматуры и качеством эксплуатации. Имеющийся опыт подтверждает, что должный уровень проектирования и подвески ВОК позволяет достичь надежности ВОЛС не ниже, чем при подземной прокладке.

Наиболее приемлемым является способ подвески ВОК на опорах КС, который и взят за основу в данном курсовом проекте.

Согласно с «Концепцией создания цифровой сети связи ОАО «РЖД» в России на магистральных направлениях ВОЛС принята, в основном емкость ВОК 16 одномодовых волокон.

В данном курсовом проекте следует построить систему связи для уровня «STM - 1

В данном курсовом проекте применяем одномодовый самонесущий кабель марки ОКЛЖ-01-6-16-10/125-0,36/0,22-3,5/18-18,2 производства ЗАО «Самарской Оптической Кабельной Компании» с подвеской его на опорах контактной сети (рисунок 1).

Характеристика кабеля: оптический кабель линейный, магистральный, без брони, самонесущей в полиэтиленовой изоляции для подвески на опорах контактной сети ж.д.

Условные обозначения:

- неметаллический центральный силовой элемент; 6 - количество элементов в повисе сердечника кабеля; 16 - количество оптических волокон; 10/125 - диаметр сердцевины ОВ, мкм/диаметр отражающей оболочки, мкм; 036,/0,22 дБ/км - коэффициент затухания на длине волны 1310/1550нм; 3,5/18пс(нм*км) - значения дисперсии на длине волны 1310/1550; 18,2кН - значение растягивающее нагрузки.

При этом 6 волокон используется для строительства магистральной сети иерархии STM-1 и STM-16 с учетом линейного резервирования 1+6 волокон используются для отделенческой связи с учетом резервирования, а остальные резервируются с учетом развития сети или могут быть сданы в аренду с целью получения прибыли. Столь высокое число волокон принимается потому, что ЦСП связи должна обладать повышенной надежностью, а роль ВОК в данном аспекте играет не последнюю роль.

Рисунок 1 - Одномодовый самонесущий кабель марки ОКЛЖ-01-6-16-10/125-0,36/0,22-3,5/ 18-18,2

Описание конструкции

.        Оптические волокна свободно уложены в полимерных трубках (оптические модули), заполненных тиксотропным гелем по всей длине.

.        Центральный силовой элемент (ЦСЭ) - стеклопластиковый пруток, вокруг которого скручены оптические модули.

.        Кордели - сплошные ПЭ стержни - для устойчивости конструкции.

.        Поясная изоляция - лавсановая лента, наложенная поверх скрутки.

.        Водоблокирующие материалы - по всей длине кабеля.

.        Силовые элементы - слой арамидных нитей.

Наружная оболочка - композиция светостабилизированного ПЭ

В данном курсовом проекте я использую продукцию фирмы «НАТЕКС» мультиплексорное оборудование типа FlexGain A2500 уровня STM-16.A2500 - cистемы передачи SDH уровня STM-4/16

(рисунок 2)

Особенности:

       Высокая пропускная способность (до 10 Гбит/с).

       Надежность (средний срок наработки на отказ более 20 лет).

       Безопасность (защита от несанкционированного доступа).

       Гибкость и масштабируемость.

       Управляемость, включая контроль качества передачи.

       Поддержка DWDM.

       Конвергенция TDM и Ethernet-трафика.

       Открытость.

       Экономичность.

Рисунок. 2 - Мультиплексор FlexGain A2500 уровня STM-16

Постоянное увеличение объемов передаваемого трафика вместе с лавинообразным ростом интернет - трафика приводит к необходимости увеличения пропускной способности каналов передачи данных.

Для начального конфигурирования оборудования достаточно выставить IP-адрес на Ethernet порт управления при помощи VT100 консоли. Локальное управление дает возможность наблюдать аварии, события, конфигурацию и счетчики производительности.

Для централизованного управления сетью мультиплексоров серии FlexGain используется система сетевого управления FlexGain View. Система управления реализована на платформе Java и использует ОС Windows 2000, либо OS Unix. Основными функциями мониторинга и управления сетью мультиплексоров являются:

       картография сети;

       сигнализация аварийных сообщений;

       конфигурирование сетевых элементов;

       тестирование оборудования;

       ведение журналов текущих и прошедших событий;

       автоматическая маршрутизация контейнеров VC4?VC3?VC12 в сети SDH;

       автоматическая установка защиты MS-SPRing;

       автоматическое построение схем синхронизации.

Таблица 2.Характеристики оптических интерфейсов STM-16

Таблица 3 - Технические характеристики в соответствии с рек. ITU-T G.957 и G.958

Стоимость одного мультиплексора в полном комплекте: 132 000 рублей.

Основным функциональным модулем сетей SDH является мультиплексор. Мультиплексоры SDH выполняют как функции собственно мультиплексора, так и функции устройств терминального доступа, позволяя подключать низкоскоростные каналы PDH иерархии непосредственно к своим входным портам.

Они являются универсальными и гибкими устройствами, позволяющими решать все вышеперечисленные задачи: коммутации, концентрации и регенерации. Это оказывается возможным в силу модульной конструкции мультиплексора, при которой выполняемые функции определяются лишь возможностями системы управления и составом модулей, включенных в спецификацию мультиплексора.

Принято выделять два основных типа SDH мультиплексора: мультиплексор ввода/вывода ADM и терминальный TM. ADM может иметь на входе тот же набор трибов, что и TM. Он позволяет осуществлять сквозную коммутацию выходных потоков в обоих направлениях, осуществлять замыкание канала приема на канал передачи на обеих сторонах («Восточный и Западный») в случае выхода из строя одного из направления. Наконец он позволяет (в случае аварийного выхода из строя мультиплексора) пропускать основной оптический поток мимо него в обходном режиме. Все это дает возможность использовать мультиплексор ADM в топологиях типа кольца.

Мультиплексор ТМ является также и оконечным устройством SDH сети с каналами доступа, соответствующим трибам доступа PDH и SDH иерархии.

Регенератор SDH - это мультиплексор, имеющий один входной канал, как правило, оптический триб STM-N и один или два агрегатных выхода.

Он используется для увеличения допустимого расстояния между узлами сети SDH, путем регенерации сигналов полезной нагрузки. Обычно это расстояние составляет 15-40 км длины 1310 нм или 40-80 км для 1550 нм. В большинстве случаев в качестве регенератора выступает мультиплексор ввода/вывода ADM.

Гибкий мультиплексор PDH. Основным функциональным модулем сетей СЦИ является мультиплексор.

Этот обобщенный термин применяется как для мультиплексоров, служащих для сборки (мультиплексирования) высокоскоростного потока из низкоскоростных, так и для демультиплексирования (демультиплексирования) высокоскоростного потока с целью выделения низкоскоростных потоков.

Коммутатор SDH выполняет функции распределения и переключения, поступающих на него потоков, а так же сигналами, поступающими со стороны потребителей станции, которые обрабатываются в трибных блоках. Возможна и коммутация на уровне, т.е. компонентный сигнал одного блока может не отправляться в линию, а переключаться на другой блок, что бывает важно при использовании мультиплексора в топологии «кольцо» или как концентратор.

1.2 Резервирование канала приема/ передачи

Архитектурные решения при проектировании сети SDH могут быть сформированы на базе использования элементарных топологий сети в качестве ее отдельных: точка-точка, кольцо, последовательная линейная цепь, звезда.

Топология «Линейная цепь» используется в тех случаях, когда в ряде пунктов необходим ввод / вывод цифровых потоков. Она реализуется с помощью терминальных мультиплексоров ТМ и мультиплексоров ввода/вывода ADM. В отсутствии защиты 1+1 ADM оборудуется двумя оптическими портами, а в защитном режиме - четырьмя.

Одним из основных преимуществ топологии SDH является возможность такой организации сети, при которой достигается не только высокая надёжность её функционирования, а обусловленная использованием ВОК, но и возможность сохранения или восстановления (за очень короткое время в десятки миллисекунд) работоспособности сети даже в случае отказа одного из элементов или среды передачи - кабеля.

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

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

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

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

восстановление работоспособности сети путём обхода неработоспособного узла;

использование системы оперативного переключения.

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

Резервирование по схеме 1:1 - альтернативным маршрутам назначают приоритеты - низкий и высокий, сеть с низким приоритетом находится в режиме горячего резерва, переключение на неё происходит по аварийному сигналу от системы управления.

Поэтому защитить схему кольца от двух очень серьёзных неисправностей: обрыва кабеля и выхода из строя мультиплексора, можно достаточно просто (рисунок 3).

На рисунке 3а изображена защита от обрыва кабеля - метод исключения повреждённого участка, на рисунке 3б изображена защита от выхода из строя мультиплексора - метод организации обходного пути.

Рисунок 3 - Методы защиты двойного кольца

Следует, что защита кольца может обеспечиваться по разным волокнам одного кабеля и по разным волокнам разных кабелей, что сильно повышает надёжность сети, но и не менее повышает её стоимость.

В случае применения линейной архитектуры сети большой протяжённости возможна работа без резервирования в рамках одной сети. В данном случае допускается резервирование путём использования параллельных сетей (оптических, электрических или радиорелейных, в том числе космическая связь).

цифровой оптический сигнал связь

2. Резервирование канала приема/ передачи

.1 Разбивка участка на оптические секции

Рис. 2.1

Оптические секции формируются по длине, при этом выделяется три категории:

I- внутристанционная секция длиной до 2км;

S- короткая межстанционная секция порядка 40км;

L- длинная межстанционная секция порядка 40км, при длине волны 1310нм и 80км при 1550нм.