Применение высокоскоростных волоконно-оптических линий внутризоновой связи

МГУПС

КУРСОВАЯ РАБОТА

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ПЕРЕДАЧА ДИСКРЕТНОЙ ИНФОРМАЦИИ»

ТЕМА РАБОТЫ:

ПРИМЕНЕНИЕ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЙ ВНУТРИЗОНОВОЙ СВЯЗИ

Проверил: Выполнил:

преподаватель студент 5 курса

Иванов В.П. Варабин Д.Е.

Шифр: 0461−цАТС−1096

г. Нижний Новгород

2009

СОДЕРЖАНИЕ

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

ВВЕДЕНИЕ

ТРАССА КАБЕЛЬНОЙ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ

ОБОСНОВАНИЕ И РАСЧЕТ ЧИСЛА КАНАЛОВ

ВЫБОР ТИПА ОПТИЧЕСКОГО КАБЕЛЯ

РАСЧЕТ ДЛИНЫ УЧАСТКОВ РЕГЕНЕРАЦИИ

СХЕМА ОРГАНИЗАЦИИ СВЯЗИ

РАСЧЕТ ПЕРВИЧНЫХ ПАРАМЕТРОВ ОВ

РАСЧЕТ ВТОРИЧНЫХ ПАРАМЕТРОВ ОВ

РАСЧЕТ БЫСТРОДЕЙСТВИЯ ВОСП

РАСЧЕТ ПОРОГА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ПРОМ

РАСЧЕТ ЗАТУХАНИЯ СОЕДИНИТЕЛЕЙ ОВ

РАСЧЕТ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА

ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ЦЕПЯМ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

РАСЧЕТ ТОКОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ

РАЧЕТ НАДЁЖНОСТИ ОПТИЧЕСКОЙ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Таблица 1 содержит данные о расстояниях Xij между населенными пунктами Ai и Aj, где i=1,2,…,6, i≠j.

Таблица 1

Таблица 2 содержит данные о численности населения H0(Ai), человек, в населенных пунктах Ai в 2009 г., где i=1,2,…,6.

Таблица 2

2. ВВЕДЕНИЕ

Разработка световодных систем и их опытная эксплуатация на железнодорожном транспорте началась в начале 80-х годов. В этих системах связи сигналы, несущие информацию, передают по оптическим световодам, которые представляют собой тонкие нити специальной конструкции, изготовленные из диэлектрического материала, прозрачного для применяемого излучения. Волоконные световоды из особо чистого кварцевого стекла называются оптическими волокнами и составляют основу оптических кабелей.

В качестве направляющей среды передачи данных между населенными пунктами используется кабельная ВОЛС. В настоящее время кабельным линиям, как правило, отдаётся предпочтение из-за повышенной живучести и удовлетворительной скрытности связи.

Потребности существенного увеличения объемов, надежности и экономичности передачи цифровой информации предопределили дальнейшие поиски в области разработки ЦСП. Семейство оборудования, разработанное на принципах синхронной цифровой иерархии (SDH), явилось качественно новым этапом развития техники систем передачи. Концепция SDH позволяет оптимально сочетать процессы высококачественной передачи больших объемов цифровой информации с процессами автоматизированного управления, контроля и обслуживания сети в рамках единой системы.

Для переноса информации в SDH используются синхронные транспортные модули (Synchronous Transport Module, STM), которые представляют собой циклическую структуру с периодом повторения 125 мкс. Основной модуль STM–1, модули высших уровней STM–4 и STM–16.

Синхронная цифровая иерархия содержит три уровня, скорости, передачи которых относятся как 1:4:16. Номера уровней совпадают с этими числами: первый уровень (STM–1) имеет скорость передачи 155520 Кбит/с (155 Мбит/с), четвертый уровень (STM–4) – 622080 Кбит/с (620 Мбит/с), а 16–й уровень имеет скорость передачи данных – 2488320 Кбит/с (2,5 Гбит/с).

Если разделить скорость передачи соответствующего модуля на скорость передачи для одного канала (64 Кбит/с), можно, с учетом служебных каналов, определить количество телефонных каналов.

Однако, например, сигнал видеоконференции ёмкостью 384 Кбит/с не может быть передан по каналу 64 Кбит/с.

Поэтому в соответствии с европейским стандартом при рассмотрении ЦСП используют не телефонный канал, а стандартные цифровые каналы, условно обозначаемые Е1 – Е5:

Е1 – первичный цифровой канал (ПЦК) 2048 Кбит/с (2 Мбит/с), соответствующий первому уровню в европейской иерархии PDH;

Е2 – вторичный цифровой канал (ВЦК) 8448 Кбит/с, соответствующий второму уровню в европейской иерархии PDH;

Е3 – третичный цифровой канал (ТЦК) 34,368 Мбит/с, соответствующий третьему уровню в европейской иерархии PDH;

Е4 – четвертичный цифровой канал (ЧЦК) 139,264 Мбит/с, соответствующий четвертому уровню в европейской иерархии PDH;

Е5 – пятеричный цифровой канал (ПЦК) 564,992 Мбит/с, соответствующий пятому (не стандартизованному) уровню в европейской иерархии PDH.

Если разделить скорость передачи мультиплексора STM–1 (155 Мбит/с) на скорость передачи для канала Е1 (2 Мбит/с) можно определить максимальное количество каналов Е1 (максимальную нагрузку) для данного мультиплексора.

Однако, кроме информационной нагрузки, STM несут значительный объем избыточных сигналов, обеспечивающих функции контроля, управления и обслуживания, а также вспомогательной функции.

Поэтому, например, модуль STM–1 позволяет организовать не 77 (155 Мбит/с : 2 Мбит/с = 77,5), а 63 канала Е1.

Основными элементами приемопередающих модулей являются источник излучения с длиной волны, соответствующей одному из минимумов полных потерь в оптическом волокне, и приемник излучения. Оба модуля содержат электронные схемы для преобразования электрических сигналов и стабилизации режимов работы и разъемные соединители. Линейный тракт содержит ОК, в который через примерно равные промежутки включены линейные регенераторы, а в случае использования волнового уплотнения оптических волокон – оптические усилители.

Дальность непосредственной связи по ВОЛС, так же, как и длина регенерационного участка, зависит от параметров оптических волокон и энергетических характеристик приемопередающих устройств.

3. ТРАССА КАБЕЛЬНОЙ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ

На рисунке 1 представлен схематический план трассы ВОЛП с указанием:

– расстояния по трассе между населенными пунктами;

– численности населения в каждом населенном пункте;

– численности абонентов АТС в каждом населенном пункте;

– мест расположения ОРП.

Трасса кабельной магистрали в прямом и обратном направлениях пересекает железнодорожные пути, автомобильную дорогу и реку.

Оптические кабели могут прокладываться в трубах, коллекторах кабельной канализации, грунтах всех категорий, на мостах через болота и водные преграды. При выполнении определенных условий и соблюдении соответствующих норм допускается прокладка оптических кабелей вдоль и под железнодорожными путями (автомобильными дорогами).

От правильного выбора трассы зависит стоимость сооружения кабельной линии, её долговечность, а также надёжность и бесперебойность действия. Трасса выбирается с таким расчетом, чтобы число переходов кабеля через железную дорогу было минимальным, а необходимые переходы устраивались в местах с наименьшим количеством путей.

При переходе кабеля через реку учитываются особенности этой реки и, как правило, кабель прокладывается по мосту в специально отведенных для этой цели желобах.

4. ОБОСНОВАНИЕ И РАСЧЕТ ЧИСЛА КАНАЛОВ

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

Количество населения в заданных пунктах и их подчиненных окрестностях, чел., с учётом среднего прироста определяется по формуле (1).

(1)

где – число жителей во время проведения переписи населения, чел., задано в таблице 1;

– средний годовой прирост населения в данной местности, принимаем равным 2%;

t – период, определяемый как разность между назначенным годом перспективного проектирования и годом проведения переписи населения, год, принимаем t = 5 лет.

Рассчитаем численность населения во всех заданных населенных пунктах.

Численность населения в пункте A1.

чел.

Численность населения в пункте A2.

чел.

Численность населения в пункте A3.

чел.

Численность населения в пункте A4.

чел.

Численность населения в пункте A5.

чел.

Численность населения в пункте A6.

чел.

В перспективе количество абонентов, обслуживаемых той или иной оконечной АМТС, определяется в зависимости от численности населения, приживающего в зоне обслуживания. Принимая средний коэффициент оснащенности населения телефонными аппаратами равным 0,3, количество абонентов в зоне АМТС определим по формуле (2).

(2)

абонентов.

абонентов.

абонентов.

абонентов.

абонентов.

абонентов.

Далее рассчитаем число телефонных каналов между заданными пунктами по формуле (3).

, (3)

где и – постоянные коэффициенты, соответствующие фиксированной доступности и заданным потерям, обычно потери задаются равными 5%, тогда ; ;

KT – коэффициент тяготения, показывающий взаимосвязь между заданными оконечными и промежуточными населенными пунктами, в проекте принимаем KT =5%, то есть KT=0,05;

– удельная нагрузка, то есть средняя нагрузка, создаваемая одним абонентом, в проекте принимаем Эрл;

и – количество абонентов, обслуживаемых оконечными АМТС соответственно в пунктах А и Б.

Подставим численные значения.

канала.

каналов.

канала.

канала.

каналов.

каналов.

каналов.

каналов.

каналов.

каналов.

каналов.

канала.

каналов.

каналов.

каналов.

Из рассчитанных значений числа каналов составим матрицу исходящих и входящих каналов в виде таблицы 3.

Таблица 3

Далее определим необходимое число межстанционных потоков Е1.

Е1 – первичный цифровой канал (ПЦК), скорость передачи данных составляет 2048 Кбит/с (2 Мбит/с), соответствующий первому уровню в европейской иерархии PDH.

Если разделить скорость передачи данных ПЦК 2048 Кбит/с на скорость передачи данных для одного канала (64 Кбит/с – основной цифровой канал (ОЦК)), то получится 32 канальных интервала, 30 из которых предназначены для организации цифровых каналов, а оставшиеся 2 – для передачи служебной информации и синхронизации, таким образом один поток Е1 содержит 30 цифровых каналов для передачи информации.

канала, соответственно, необходим 1 поток Е1.

каналов, соответственно, необходим 1 поток Е1.

канала, соответственно, необходим 1 поток Е1.

канала, соответственно, необходим 1 поток Е1.

каналов, соответственно, необходим 1 поток Е1.

каналов, соответственно, необходим 1 поток Е1.

каналов, соответственно, необходим 1 поток Е1.

каналов, соответственно, необходим 1 поток Е1.

каналов, соответственно, необходим 1 поток Е1.

каналов, соответственно, необходим 1 поток Е1.

каналов, соответственно, необходим 1 поток Е1.

канала, соответственно, необходим 1 поток Е1.

каналов, соответственно, необходим 1 поток Е1.

каналов, соответственно, необходим 1 поток Е1.

каналов, соответственно, необходим 1 поток Е1.

Итого 15 потоков Е1.

Тогда общее число потоков Е1 составит:

(4)

потоков Е1.

Для реализации рассчитанного числа потоков (каналов) выберем аппаратуру SDH STM-1.

Мультиплексор STM-1 предназначен для организации цифрового потока со скоростью передачи 155 Мбит/с, работающий по одномодовому ОК с длиной волны 1,3 мкм. Для кольцевых структур построения сети используется мультиплексор с функцией вставки/выделения, предназначенный для обеспечения простого доступа к трибутарным потокам PDH и SDH.

Основные технические характеристики синхронного мультиплексора STM-1 фирмы «SIEMENS» приведены в таблице 4.

Основные технические характеристики STM-1 фирмы «SIEMENS»

Таблица 4

5. ВЫБОР ТИПА ОПТИЧЕСКОГО КАБЕЛЯ

Ведущая роль в совершенствовании линий связи принадлежит ВОК, которые по сравнению с обычными металлическими кабелями обладают рядом преимуществ:

Высокая помехозащищенность цифровых линейных трактов от внешних электромагнитных полей, вследствие чего не требуется применять специальные меры по защите от опасных напряжений линий электропередачи и электрифицированных железных дорог.

Большая широкополосность и пропускная способность волокна. ВОК работают в диапазоне частот 1014-1015 Гц. В световом диапазоне увеличивается несущая частота в 6-10 раз. Отсюда теоретически увеличивается объем передаваемой информации. Работают оптические линии со скоростью передачи до 10 Гбит/с (опытные образцы до 100 Гбит/с).

Малое значение коэффициента затухания в широкой полосе частот, что обеспечивает большие длины регенерационных участков по сравнению с электрическими кабелями (10 – 150 км вместо 2 – 6 км).

Малая металлоемкость и отсутствие дефицитных цветных металлов (медь, свинец) в кабеле.

Высокая скрытность передачи информации.

Небольшие размеры кабеля (масса оптических кабелей в 10 – 20 раз меньше, чем электрических).

Высокая техника безопасности (невоспламеняемость, отсутствие короткого замыкания).

Возможность прокладки кабеля между точками с большой разностью потенциалов.

Оптический кабель может быть использован при обычном построении Зоновой телефонной сети, но более полно его преимущества используются при организации связи по кольцевой схеме.

От правильности выбора оптического кабеля зависят капитальные затраты и эксплуатационные расходы на проектируемую ВОЛС. На выбор влияют, с одной стороны параметры ВОЛС (широкополостность или скорость передачи информации, длина волны оптического излучения, энергетический потенциал, допустимая дисперсия, искажения), с другой стороны, оптический кабель должен удовлетворять и техническим требованиям:

– возможность прокладки в тех же условиях, в каких прокладываются электрические кабели;

– максимальное использование существующей техники;

– устойчивость к внешним воздействиям.

Для внутризоновых сетей представляют интерес оптические кабели с длинами волны 1300 и 1550 нм, позволяющие реализовывать регенерационные участки (РУ) длинной 60 – 100 км. Промышленностью выпускаются кабели следующих марок: ОКЛ, ОКЗ, ОЗКГ, ОМЗКГ.

Исходя из технических характеристик STM-1, приведенных в табл. 4, в проекте предусматривается использование оптического кабеля марки ОКЛК-01.

Дадим краткую характеристику данного кабеля.

Кабель оптический одномодовый для магистральных и зоновых сетей на длину волны λ=1300 нм, километрический коэффициент затухания 0,22 дБ/км, среднеквадратическое значение дисперсии оптического волокна 3,5 пс/нм·км.

Кабель предназначен для прокладки в трубах, коллекторах кабельной канализации, грунтах всех категорий, на мостах через болота и водные переходы.

Допускаемая температура эксплуатации от -40 до +500С.

Строительная длина оптического кабеля составляет 2000 м. Допустимое раздавливающее усилие для данного кабеля равно 1000 Н/см, допустимое растягивающее усилие от 7000 до 80000 Н.

6. РАСЧЕТ ДЛИНЫ УЧАСТКОВ РЕГЕНЕРАЦИИ

Длина регенерационного участка (РУ) цифровой волоконно-оптической системы передачи (ЦВОСП) зависит от многих факторов, важнейшими из которых являются:

1. Энергетический потенциал (Э) определяет максимально-допустимое затухание оптического сигнала в оптическом волокне (ОВ), разъемных и неразъемных соединителях на РУ, а также в других узлах ЦВОСП, дБ, равный:

, дБ, (5)

где – абсолютный уровень мощности оптического сигнала (излучения), дБм;

– абсолютный уровень мощности оптического сигнала на входе приёмного устройства, при котором коэффициент ошибок или вероятность ошибки Рош одиночного регенератора не превышает заданного значения, дБм.

2. Дисперсия в OB, σ, пс/нм·км. Дисперсионные явления в ОВ приводят к расширению во времени спектральных и модовых составляющих сигнала, то есть к различному времени их распространения, что приводит к изменению формы и длительности оптических импульсных сигналов, к их уширению.

3. Помехи, обусловленные тепловыми шумами резисторов, транзисторов, полупроводниковых диодов, усилителей, шумами источников оптического излучения, шумами из-за отражения оптического излучения от торцевой поверхности ОВ, модовыми шумами из-за интерферентности мод, распространяющихся в ОВ; этот вид помех интегрально учитывается как собственные шумы.

4. Квантовый или фантомный шум, носителем которого является сам оптический сигнал (в силу его малости по сравнению с другими составляющими шумов оптического линейного тракта, в проекте его не учитываем и влияние учитывается как влияние дестабилизирующих факторов).

5. Коэффициент затухания ОВ α1, дБ/км.

6. Минимально детектируемая мощность (МДМ) Wмдм, соответствующая минимальному порогу чувствительности приемного устройства – фотоприемника ЦВОСП с заданной вероятностью ошибки.

Для определения длины РУ составляется схема (рис. 2). Как следует из рис. 2, затухание РУ, дБ, равно:

, (6)

где – затухание, вносимое разъёмным оптическим соединителем, принимаем равным 0,5 дБ;

– число неразъёмных оптических соединителей;

– затухание, вносимое неразъёмным оптическим соединителем, принимаем равным 0,1 дБ;

– коэффициент затухания ОВ, принимаем равным 0,3 дБ/км;

– длина регенерационного участка, км;

– допуски на температурные изменения параметров ЦВОСП, в том числе и ОК, для типовых ВОСП равные 0,5 – 1,5 дБ, в проекте принимаем равным 1 дБ;

– допуски на ухудшение параметров элементов ЦВОСП со временем (старение, деградация), дБ (зависит от типов источника и приёмника оптического излучения и их комбинаций), в проекте принимаем равным 5 дБ.

Рис. 2

Расчетная схема РУ ЦВОСП

ОС-Р – оптический соединитель разъёмный (их число на РУ равно 2);

НРП – необслуживаемый регенерационный пункт;

ПРОМ – приемопередающий оптический модуль, преобразующий оптический сигнал в электрический, восстанавливающий параметры последнего и преобразующие его вновь в оптический сигнал;

ОС-Н – оптический соединитель неразъёмный, число которых на единицу больше числа строительных длин ОК, составляющих РУ.

Для линейного оборудования SDH всегда известным является уровень передачи, то есть Рпер = +2... –4 дБ.

Длину регенерационного участка найдем по формуле: