Модернизация зоновой сети Самарской области на базе волоконно-оптический линий передач

Развитие науки и ускорение технического прогресса невозможны без совершенствования средств связи, систем сбора, передачи и обработки информации. Интенсивное развитие новых информационных технологий в последние годы привело к бурному развитию микропроцессорной техники, которая стимулировала развитие цифровых методов передачи информации. В конечном счёте, это привело к созданию новых высокоскоростных технологий глобальных сетей: PDH, SONET, SDH, ISDN, Frame Relay и ATM. Одной из наиболее современных технологией, используемых в настоящее время для построения сетей связи, является технология синхронной цифровой иерархии SDH.

Интерес к SDH обусловлен тем, что эта технология пришла на смену импульсно-кодовой модуляции PCM (ИКМ) и плезиохронной цифровой иерархии PDH (ПЦИ) и стала интенсивно внедряться в результате массовой установки современных зарубежных цифровых АТС, позволяющих оперировать потоками 2 Мбит/с, и создания в регионах локальных колец SDH.

Синхронная цифровая иерархия (СЦИ) обладает существенными преимуществами по сравнению с системами предшествующих поколений, позволяет полностью реализовать возможности волоконно-оптических и радиорелейных линий передачи (ВОЛП и РРЛП) и создавать гибкие, удобные для эксплуатации и управления сети, гарантируя высокое качество связи. Таким образом, концепция SDH позволяет оптимально сочетать процессы высококачественной передачи цифровой информации с процессами автоматизированного управления, контроля и обслуживания сети в рамках единой системы.

Системы СЦИ обеспечивают скорости передачи от 155 Мбит/с и выше и могут транспортировать как сигналы существующих цифровых систем (например, распространённых на городских сетях ИКМ-30), так и новых перспективных служб, в том числе широкополосных. Аппаратура СЦИ является программно управляемой и интегрирует в себе средства преобразования, передачи, оперативного переключения, контроля, управления.

Благодаря появлению современных волоконно-оптических кабелей (ВОК) оказались возможными высокие скорости передачи в линейных трактах (ЛТ) цифровых систем передачи с одновременным удлинением секций регенерации до 100 км и более. Производительность таких ЛТ превышает производительность цифровых трактов на кабелях с металлическими парами в 100 и более раз, что радикально увеличивает их экономическую эффективность. Большинство регенераторов оказывается возможным совместить с оконечными или транзитными станциями. Из этого следует, что СЦИ — это не просто новые системы передачи, это и принципиальные изменения в сетевой архитектуре, организации управления. Внедрение СЦИ представляет собой качественно новый этап развития цифровой сети связи.

В данном проекте в качестве базовой системы передачи проектируемой сети предполагается аппаратура первого уровня иерархии SDH, осуществляющая перенос информации со скоростью передачи цифрового сигнала 155 Мбит/с в рамках синхронного транспортного модуля.

Выбор и обоснование проектных решений

В современных условиях рыночной экономики появилась необходимость коренных изменений в структуре и практике эксплуатации сетей связи. Использование существующей ассинхронной системы группообразования цифровых потоков для получения высокоскоростных сигналов приводит к громоздким и малонадежным техническим решениям. Затруднён доступ к составляющим (компонентным) цифровым потокам для ответвления и транзита (для чего нужно многоступенное расформирование группового сигнала). При нарушениях синхронизации группового сигнала сравнительно большое время тратится на многоступенное восстановление синхронизации компонентных потоков. Современные цифровые первичные сети (ЦПС) должны иметь гибкую, легко управляемую структуру. Они должны обеспечивать передачу и переключение потоков информации разной мощности, ввод и выделение этих потоков в произвольных пунктах, глубокий контроль качества и тарификацию в соответствии с действительным временем пользования связью и её качеством. Эти сети должны быть базой для служб, использующих как синхронный (Synchronous Transfer Mode, STM), так и ассинхронный (Asynchronous Transfer Mode, ADM) способы переноса информации.

Перечисленные выше требования практически не выполнимы в рамках плезиохронной цифровой иерархии (ПДИ), но их можно выполнить при синхронной системе группообразования. В 1998 г. МККТТ принял SDH, разработанную с учётом мирового опыта создания цифровых сетей. Идейной основой для SDH послужила синхронная оптическая сеть SONET США. В рамках SDH разработана не только новая иерархия скоростей передачи и система преобразований цифровых трактов, но и перспективная концепция построения и развития сетей связи, поддерживаемая системой международных стандартов.

Многие страны уже широко применяют СЦИ и планируют ограничить внедрение систем ПЦИ, а некоторые предполагают развивать свои сети только на базе СЦИ.

1.1 Трасса кабельной линии передачи

В соответствии с техническим заданием к дипломному проекту требуется спроектировать высокоскоростную волоконно-оптическую линию внутризоновой связи, которая должна соединить по кольцевой схеме районные центры Елховка, Сергиевск, Исаклы, Кошки, Челно-Вершины, Шентала в Самарской области.

Передача сигналов многоканальных ЦСП может осуществляться по кабельным, радиорелейным и спутниковым линиям связи. В настоящее время кабельным линиям, как правило, отдаётся предпочтение из-за повышенной живучести и удовлетворительной скрытности связи. Поэтому проектируемая линия будет кабельной. Так как технология SDH была ориентированна на использование волоконно-оптических кабелей, то в качестве среды передачи для проектируемой линии связи возьмём волоконно-оптический кабель.

Часть территории Самарской области, по которой будет проходить предполагаемая трасса, имеет равнинный рельеф. Это землевладельческие освоенные равнины с чернозёмными почвами, поэтому, во избежание отчуждения земель сельскохозяйственного, значения будет правильным проектировать трассу вдоль автомобильных дорог. Кроме того, прокладка трассы вдоль автомобильных дорог облегчит эксплуатацию ВОЛП.

Обращаясь к карте местности /3/, видим, что очевиден единственный целесообразный вариант трассы, удовлетворяющий требованиям приведённым выше. Это вариант прокладки кабеля вдоль автодорог, соединяющих Челно-Вершинский, Шенталинский, Исаклинский, Сергиевский, Елховский и Кошкинский районы. Выбранная трасса имеет протяжённость на участках: Шентала-Исаклы — 35 км; Исаклы-Сергиевск — 30 км; Сергиевск-Елховка — 60 км; Елховка-Кошки — 40 км; Кошки — Челно-Вершины — 65 км; Челно-Вершины-Шентала — 25 км. Общая протяжённость трассы равна 255 км. Данная трасса пересекает несколько автодорог областного значения, 2 железные дороги и две реки: Сок и Кундурча. Ситуационный чертёж трассы приведён в приложении А.

1.2 Характеристика обслуживаемых пунктов

Целью данного проекта является:

создание современной телекоммуникационной сети в интересах населения, народно-хозяйственного комплекса;

организация качественной связи для передачи информации различного вида между характеризуемыми населёнными пунктами.

Необходимо обосновать организацию связи между выбранными пунктами. Тяготение выбранных пунктов по услугам связи зависит, в первую очередь, от численности населения. Кроме того, степень заинтересованности во взаимосвязи зависит от экономических, культурных и социально-бытовых отношений между населёнными пунктами.

Приведём краткую характеристику выбранных пунктов.

Елховский район. В настоящее время площадь района составляет 1188,7 кв. км; он состоит из 39 населённых пунктов, которые объединены в 7 сельских администраций; численность постоянного населения на 1997 год — 11 тысяч человек. Основная отрасль экономики — сельское хозяйство. На территории Района находится 10 сельскохозяйственных предприятий. Елховский район — сырьевой. Он поставляет на региональный рынок зерно, молоко, мясо.

Исаклинский район — расположен на северо-востоке области и занимает площадь в 1,5 тысяч кв.км. Население района многонационально — русские, чуваши, мордва, татары, украинцы и др. — всего на 1997 год 15,8 тысяч человек. Основное занятие населения — зерновое земледелие, молочное и мясное животноводство. На полях растёт рожь, пшеница, картофель и кормовые культуры. На территории этого района ведётся добыча нефти. В 1997 году в Исаклинском районе построен газопровод высокого давления протяжённостью 13,9 км.

Кошкинский район — расположен на северо-востоке Самарской области в лесостепной зоне левобережья реки Волги; на севере — граничит с Республикой Татарстан, на западе — с Ульяновской областью, на юге и востоке — с Сергиевским и Елховским районами. В состав района входят 15 населённых пунктов, которые объединены в 5 сельских администраций. Население района в 1997 году составило 25,3 тысячи человек. В Кошкинском районе большой запас природных ресурсов: разрабатываются нефтяные месторождения, осваиваются источники минеральных вод.

Сергиевский район — в настоящее время объединяет 31 населённый пункт в одну поселковую и 18 сельских администраций. Имеет площадь 2763,4кв.км, численность населения на 1997 год — 49,4 тысячи человек, в составе которых русские, чуваши, украинцы, татары и другие национальности. Основная отрасль района — сельское хозяйство, развито животноводство. Имеется нефтедобывающий комплекс.

Челно-Вершинский район — расположен в северной части Самарской области, площадь его составляет 1159,8 кв.км. На севере он граничит с Республикой Татарстан, на западе — с Кошкинским районом, на юге и востоке — с Сергиевским и Исаклинским районами. В райцентре имеется железнодорожная станция Челно-Ульяновского отделения Куйбышевской железной дороги. Численность населения на конец 1997 года составила 21 тысячу человек. По производственной ориентации район является преимущественно сельскохозяйственным. В районе функционирует маслозавод, комбикормовой завод, дорожно-строительный участок, машиностроительный завод (ранее союзного значения), производящий доильное оборудование для животноводческих ферм.

Шенталинский район. В настоящее время площадь Шенталинского района составляет 1338,2 кв. км, из них Большую часть занимают сельскохозяйственные угодья. Население на 1997 год составило 20,2 тысячи человек. Основная деятельность населения — сельское хозяйство. Крупным предприятием района является Шенталинский лесхоз Самарского управления лесами. В районе функционирует также маслозавод, промкомбинат, комбикормовый завод, завод стройматериалов, райпищекомбинат.

На основе приведённых сведений делаем вывод о естественном тяготении друг к другу указанных населённых пунктов, А также убеждаемся в том, что организация связи между ними является практически обоснованной.

1.3 Характеристика существующей сети связи

В настоящее время связь между населёнными пунктами Исаклы, Шентала, Сергиевск, Елховка, Кошки, Челно-Вершины осуществляется в основном при помощи аналоговых систем передачи.

Таблица 1.1 — Системы передачи на существующей сети связи

Из таблицы видно, что на внутризоновой сети Самарской области работают в основном системы передач К 60п. Для данного типа системы передачи используют 2 типа кабеля МКС 441,2 и МКС 141,2. Связь с РУЭС села Елховка осуществляется по воздушной линии связи с системой передачи В-12−3.

1.4 Обоснование и расчёт числа каналов

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

Численность населения в любом населённом пункте может быть определена на основании статистических данных последней переписи населения. Обычно перепись населения осуществляется один раз в пять лет, поэтому при перспективности проектировании следует учесть прирост населения. Количество населения в заданном пункте и его подчинённых окрестностях с учётом среднего прироста определяется по формуле (1.1).

Ht = Ho [1 + ], чел, (1.1)

где Ho — число жителей во время проведения переписи населения, чел;

H — средний годовой прирост населения в данной местности, % (принимается (23)%);

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

Год перспективного проектирования проинимается на 510 лет вперёд по сравнению с текущим временем. Если в проекте принять 5 лет вперёд, то

t = 5 + (tn — to), (1.2)

где tn — год составления проекта;

to — год, к которому относятся данные Ho.

Используя формулы (1.1) и (1.2) рассчитаем численность населения во всех выбранных пунктах.

Елховка: t = 5 + (2000 — 1997) = 8

Ht = 11 000 [1 + ] = 12,89 (тыс.чел).

Исаклы: t = 5 + (2000 — 1997) = 8

Ht = 15 800 [1 + ] = 18,51 (тыс.чел).

Кошки: t = 5 + (2000 — 1997) = 8

Ht = 25 300 [1 + ] = 29,65 (тыс.чел).

Сергиевск: t = 5 + (2000 — 1997) = 8

Ht = 49 400 [1 + ] = 57,89 (тыс.чел).

Челно-Вершины: t = 5 + (2000 — 1997) = 8

Ht = 7500 [1 + ] = 8,79 (тыс.чел).

Шентала: t = 5 + (2000 — 1997) = 8

Ht = 20 200 [1 + ] = 23,66 (тыс.чел).

Взаимосвязь между выбранными оконечными и промежуточными пунктами определяется на основе статистических данных, полученных предприятиями связи за предшествующие проектированию годы. Практически эти взаимосвязи выражают через коэффициент тяготения КТ, который, как показывают исследования, колеблется в широких пределах, от 0.1% до 12%. В проекте KT = 5%, то есть KT = 0,05.

Учитывая это, а также то обстоятельство, что телефонные каналы в междугородной связи имеют превалирующее значение, предварительно необходимо определить количество телефонных каналов между выбранными пунктами. Для расчёта количества телефонных каналов можно воспользоваться приближенной формулой (1.3.).

nтлф = k KT y + (1.3)

где k и — постоянные коэффициенты, соответствующие фиксированной доступности и заданным потерям, обычно потери задаются равными 5%, тогда k = 1,3; = 5,6;

y — удельная нагрузка, то есть средняя нагрузка, создаваемая одним абонентом, y = 0,05 Эрл;

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

В перспективе количество абонентов, обслуживаемых той или иной оконечной АМТС, определяются в зависимости от численности населения, проживающего в зоне обслуживания. Принимая средний коэффициент оснащённости населения телефонными аппаратами равным 0.3, количество абонентов в зоне АМТС

M = 0,3 Ht (1.4)

Таким образом, можно рассчитать число каналов для телефонной связи между пунктами. По кабельной линии передачи организовывают каналы и другие виды связи, а также учитывают и транзитные каналы. Общее число каналов между двумя АМТС будет равно:

n = nтлф + nтг + nв + nпд + nг + nтр + nтв,

где nтг — число каналов тональной частоты (ТЧ) для телеграфной связи;

nв — то же, для передачи сигналов вещания;

nпд — то же, для передачи данных;

nг — то же, для передачи газет;

nтр — число транзитных каналов;

nтв — число каналов ТЧ, исключаемых из передачи телефонной информации для организации одного канала телевидения.

Поскольку число каналов для организации связи различного назначения может быть выражено через число телефонных каналов, то есть каналов ТЧ, целесообразно общее число каналов между пунктами выразить через телефонные каналы. В проекте можно принять

nтг + nв + nпд + nг + nтр nтлф

Тогда общее число каналов рассчитывают по упрощённой формуле:

n = 2 nтлф + 2 nтв = 2 nтлф + 2880

Так как трасса не проходит через столицы республик, то каналы телевидения предусматривать не будем. Тогда общее число каналов будет равно:

n = 2 nтлф (1.5)

По формуле (1.4) рассчитаем количество абонентов зоне АМТС:

mE = 0,3 12,89 = 3,87 (тыс.чел)

mИ = 0,3 12,89 = 5,55 (тыс.чел)

mК = 0,3 12,89 = 8,89 (тыс.чел)

mС = 0,3 12,89 = 17,37 (тыс.чел)

mЧ-В = 0,3 12,89 = 2,64 (тыс.чел)

mШ = 0,3 12,89 = 7,09 (тыс.чел) Количество телефонных каналов на участках данной трассы рассчитаем по приближенной формуле (1.3.).

Елховка:

nтлф = 1,3 0,05 0,05 + 5,6 = 13

nтлф = 1,3 0,05 0,05 + 5,6 = 14,36

nтлф = 1,3 0,05 0,05 + 5,6 = 15,89

nтлф = 1,3 0,05 0,05 + 5,6 = 10,7

nтлф = 1,3 0,05 0,05 + 5,6 = 13,74

Исаклы:

nтлф = 1,3 0,05 0,05 + 5,6 = 16,7

nтлф = 1,3 0,05 0,05 + 5,6 = 19,27

nтлф = 1,3 0,05 0,05 + 5,6 = 11,41

nтлф = 1,3 0,05 0,05 + 5,6 = 15,72

Кошки:

nтлф = 1,3 0,05 0,05 + 5,6 = 25

nтлф = 1,3 0,05 0,05 + 5,6 = 12,2

nтлф = 1,3 0,05 0,05 + 5,6 = 18,42

Сергиевск:

nтлф = 1,3 0,05 0,05 + 5,6 = 13,05

nтлф = 1,3 0,05 0,05 + 5,6 = 13,05

Челно-Вершины:

nтлф = 1,3 0,05 0,05 + 5,6 = 11,86

Из рассчитанных значений числа каналов составим матрицу исходящих и входящих каналов.

Таблица 1.2

Суммируя все значения матрицы, получим общее число каналов, необходимых для организации связи по данному «кольцу» .

n = 467 (каналов)

1.5 Выбор системы передач. Характеристика и технические данные выбранной системы передач

Основываясь на рассчитанном количестве каналов, выбираем аппаратуру синхронной цифровой иерархии STM-1

Мультиплексор STM-1 предназначен для организации цифрового потока со скоростью передачи 155 Мбит/с, работающий по одномодовому оптическому кабелю с длиной волны 1300 нм. Для кольцевых структур построения сети используется мультиплексор с функцией вставки/выделения (рис 1.1), предназначенный для обеспечения простого доступа к трибутарным потокам PDH и SDH.

Рисунок 1.1 — Схема мультиплексора с функцией вставки/выделения

Основные технические характеристики синхронного мультиплексора SMA-1 фирмы «SIMENS» приведены в таблице 1.3.

Таблица 1.3 — Основные технически характеристики SM 1 фирмы «SIEMENS»

1.6 Характеристика транспортной системы

Достижения современной техники коммутации и передачи привели к тому, что возникла необходимость в создании современной цифровой транспортной сети или системы. Транспортная система (ТС) — это инфраструктура, объединяющая ресурсы сети, выполняющие функции транспортирования. При транспортировании выполняются не только перемещение информации, но и автоматизированное и программное управление сложными конфигурациями (кольцевыми и разветвлёнными), контроль, оперативное переключение и другие сетевые функции. ТС является базой для всех существующих и планируемых служб, для интеллектуальных, персональных и других перспективных сетей, в которых могут использоваться синхронный или асинхронный способы переноса информации.

Транспортная система СЦИ — органическое соединение информационной сети и системы контроля и управления SDH. Нагрузкой информационной сети СЦИ могут быть сигналы существующих сетей ПЦИ, а также сигналы новых служб и сетей связи. Аналоговые сигналы предварительно преобразовываются в цифровую форму с помощью имеющегося на сети оборудования.

В информационной сети СЦИ четко выдерживается деление по функциональным слоям. Сеть содержит три топологически независимых слоя (каналы, тракты и среда передачи), которые подразделяются на более специализированные слои. Каждый слой выполняет определённые функции и имеет точки доступа. Они оснащены собственными средствами контроля и управления, что минимизирует усилия при ликвидации аварий и снижает их влияние на другие слои. Функции слоя зависят от физической реализации нижнего обслуживающего слоя. Каждый слой может создаваться и совершенствоваться независимо.

В информационной сети используются принципы контейнерных перевозок. Благодаря этому сеть SDH достигает универсальных возможностей транспортирования разнородных сигналов. В транспортной системе SDH перемещаются не сами сигналы нагрузки, а новые цифровые структуры — виртуальные контейнеры, в которых размещаются сигналы нагрузки, подлежащие транспортировке. Сетевые операции с контейнерами выполняются независимо от содержания. После доставки на место и выгрузки сигналы нагрузки обретают исходную форму. Поэтому транспортная система SDH является прозрачной.

Создание сетевых конфигураций, контроль и управление отдельными станциями и всей информационной сетью осуществляется программно и дистанционно с помощью системе обслуживания SDH.

В слое среды передачи самыми крупными структурами SDH являются синхронные транспортные модули (STM), представляющие собой форматы линейных сигналов. Для создания высокоскоростных линейных сигналов используется синхронное мультиплексирование.

1.6.1 Структуры мультиплексирования SDH и PDH

Рассмотрим группообразование синхронных транспортных модулей (STM).

Информация, поступающая в сеть, согласовывается со структурами, с помощью которых поддерживается соединение. В SDH эти структуры образуются в сетевых слоях секций и трактов и транспортируют цифровые потоки, а также широкополосную информацию. В функции этих структур входят также компенсация возможных изменений скорости и фаз транспортируемых по сети SDH цифровых потоков. Такая компенсация обеспечивает функционирование SDH как синхронной сети, допускающей плезиохронный режим.

Синхронные мультиплексоры фирмы «SIEMENS» формируют потоки синхронной цифровой иерархии и плезиохронной цифровой иерархии. На рисунке 1.2 показаны организация и связи структур мультиплексирования иерархий SDH и PDH.

Мультиплексирование начинается с формирования контейнера. Входящие потоки PDH упаковываются в контейнеры SDH С-12, С-3 или С-4 в соответствии с плезиохронным методом выравнивая скоростей; каждая стандартная скорость передачи информации потока PDH постоянно назначается контейнеру определённого размера.

Рисунок 1.2 — Структуры мультиплексирования SDH и PDH

Путём добавления к контейнерам заголовка тракта (POH) из контейнеров создаются виртуальные контейнеры VC-12,VC-2,VC-3 или VC-4. То есть VC=POH+C. Трактовый заголовок POH создаётся (ликвидируется) в пунктах, в которых организуется (расформировывается) VC, и контролирует тракт между этими пунктами. В функции POH контроль качества тракта и передача аварийной и эксплуатационной информации. POH тракта высшего порядка содержит так же информацию о структуре информационной нагрузки VC. Каждый виртуальный контейнер VC-12 или VC-2 генерирует, вместе с соответствующими указателями TU (указатель данных), трибутарную единицу TU-12 или TU-3. TU обеспечивает согласование между сетевыми слоями трактов низшего и высшего порядков и содержит информационную нагрузку и TU указатель, показывающий отступ начала цикла нагрузки от начала цикла VC высшего порядка. TU = TUуказатель + VC. Один или несколько TU, занимающих определённые фиксированные позиции в нагрузке VC высшего порядка, называют «группой трибутарных единиц» (TUG). TUG образуется путем генерирования байтов TU-12 или U-3.

Из-за своего размера виртуальный контейнер VC-4 может передаваться только непосредственно в цикле STM-1. Виртуальный контейнер VC-4 вместе с соответствующим указателем AU образует административную единицу AU-4. То есть AU = AUуказатель + VC. Указатель AU содержит разность фаз между циклами SDH более высокого порядка и соответствующим виртуальным контейнером VC-4. Один или несколько AU, занимающих определённые фиксированные позиции в нагрузке STM, называются «группой административных единиц» (AUG). Группа содержит однородный набор блоков AU-3 или один AU-4.

STM — N образуется побайтным соединением N AUG и секционного заголовка SOH: STM-N = SOH + NAUG.

1.6.2 Структура цикла модуля STM-1

Рассмотрим логическую структуру модуля STM-1, представленную в виде цикла STM-1 с его заголовками. Модуль STM-1 имеет скорость 155 Мбит/с. Кроме информационной нагрузки модуль STM-1 имеет избыточные сигналы (OH), обеспечивающие автоматизацию функций контроля, управления и обслуживания (ОАМ) и вспомогательные функции. Такие избыточные сигналы называются «заголовками». Поскольку STM используется в сетевом слое секций, его заголовок называется секционным (SOH). Он подразделяется на заголовки регенерационной (R SOH) и мультиплексной (M SOH) секций. R SOH передаётся между регенераторами, а M SOH между пунктами, в которых формируется и расформировывается STM, проходя регенераторы транзитом. R SOH — выполняет функции цикловой синхронизации, контроля ошибок, указания порядка синхронизируемого модуля, а также создаёт каналы передачи данных, служебной связи и пользователя. M SOH — выполняет функции контроля ошибок и создаёт каналы управления системой автоматического переключения на резерв, передачи данных и служебной связи.

Структура цикла модуля STM-1 приведена на рисунке 1.3.

Цикл STM имеет период повторения 125 мкс. Обычно цикл представляется в виде двумерной структуры (матрицы), формат которой: 9 строк на 270 однобайтных столбцов (9270=2430 элементов). Каждый элемент соответствует одному байту (8 бит) информации и скорости 64 кбит/с. Весь цикл STM-1 имеет скорость передачи равную 642 430=155520 кбит/с. Цикл STM-1 состоит из трёх групп полей: поле секционных заголовков — регенерационной секции (R SOH) формата 39 байтов и мультиплексной секции (M SOH) формата 59 байтов; поле указателя AU-4 формата 19 байтов; поле полезной нагрузки формата 9261 байтов.

Блок AU-4 служит для переноса одного виртуального контейнера VC-4, имеющего свой маршрутный (трактовый) заголовок POH (левый столбец размером 9 байтов).

Основное назначение POH — обеспечить целостность на маршруте от точки сборки виртуального контейнера до точки его разборки.

Байты заголовка имеют следующие значения:

байт J1 — используется для передачи в циклическом режиме 648 битовых структур для проверки целостности связи;

байт B3 — BIP-8 код, контролирующий ошибки чётности в предыдущем контейнере;

байт C2 — указатель типа полезной нагрузки. Несёт информацию о наличии полезной нагрузки;

байт G1 — указатель состояния маршрута. Используется для передачи информации о состоянии линии к удалённому терминалу (например, о наличии ошибок или сбоев на дальнем конце);

F2,Z3 — байты, которые могут быть задействованы пользователем данного маршрута для организации канала связи;

H4 — обобщённый индикатор положения нагрузки, используется для организации мультифреймов;

Z4 — байт зарезервирован для возможного развития системы;

Z5 — байт оператора, зарезервирован для целей администрирования сети

Рисунок 1.3 — Структура цикла STM-1 и VC-4

Рассмотрим структуру заголовков цикла STM-1. Заголовок SOH (рисунок 1.4) состоит из двух блоков: R SOH — заголовка регенераторной секции размером 39=27 байт и M SOH — заголовка мультиплексной секции размером 59=45 байт.

Заголовки R SOH и M SOH содержат следующие байты:

байты А1, A1, А1, А2, А2, А2 являются индентификаторами наличия цикла STM-1 в цикле STM-N (A1=11 110 110, А2=101 000);

байт В1 и три байта В2 формируют две кодовые последовательности, используемые для проверки на чётность с целью обнаружения ошибок в предыдущем фрейме: BIP-8 формирует 8-битную последовательность для размещения в В1 и BIP-24 — 24-битную последовательность для размещения в трёх В2;

байт С1 определяет значение третьей координаты «с» — глубину интерливинга в схеме мультиплексирования STM-N;

байты D1-D12 формируют служебный канал передачи данных DCC: D1-D3 формируют DCC канал регенераторной секции (192 кбит/с), D4-D12 — DCC канал мультиплексной секции (576 кбит/с);

байты Е1, Е2 могут быть использованы для создания служебных каналов голосовой связи: Е1 для регенераторной секции (64 кбит/с), Е2 для мультиплексной секции (64 кбит/с);

байт F1 зарезервирован для создания канала передачи данных голосовой связи, для нужд пользователя;

байты К1, К2 используются для сигнализации и управлением автоматическим переключением на исправный канал при работе в защищённом режиме — APS;

байты Z1, Z2 являются резервными за исключением бит 5−8 байтов Z1, используемых для сообщений о статусе синхронизации;

байт S1 — байт SSM — Сигнал маркера синхронизации. В нём передаётся информация о качестве источника синхронизации;

шесть байтов, помеченных знаком, могут быть использованы как поля определённые средой передачи;

байты, помеченные звёздочками, не подвергаются (в отличие от остальных) процедуре шифрования заголовка;

все непомеченные байты зарезервированы для последующей международной стандартизации.

Рисунок 1.4 — Структура заголовков SOH цикла STM-1

1.7 Выбор типа оптического кабеля

Ведущая роль в совершенствовании линий связи принадлежит волоконно-оптическим кабелям, которые по сравнению с обычными металлическими обладают рядом преимуществ:

высокая помехозащищённость от внешних электромагнитных полей;

большая широкополостность. ВОК работают в диапазоне частот 10- 10 Гц. В световом диапазоне увеличивается несущая частота в 6−10 раз. Отсюда теоретически увеличивается объём передаваемой информации. Работают оптические линии со скоростью передачи до 10 Гбит/с (опытные образцы до 100 Гбит/с);

малое затухание энергии в оптическом волокне позволяет существенно увеличить длину регенерационного участка;

дефицитные металлы (медь, свинец) заменены кварцем;

высокая скрытность передачи информации;

большие строительные длины кабеля (2 км и более) обеспечивают меньшее число соединений, что увеличивает надёжность ВОЛС;

снижение массы кабеля.

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 завися капитальные затраты и эксплуатационные расходы на проектируемую ВОЛП. На выбор влияют, с одной стороны, параметры ВОСП (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 и т. д.

Для внутризоновых сетей представляют интерес оптические кабели с длинами волны 1,3 и 1,55 мкм, позволяющие реализовать регенерационные участки (РУ) длинной 60 -100 км. Промышленностью выпускаются кабели следующих марок: ОКЛ, ОКЗ, ОЗКГ, ОМЗКГ.

Исходя из технических характеристик STM-1, приведённых в таблице 1.2, в проекте будем использовать кабель марки ОКЛК-01.

Дадим краткую характеристику данного кабеля.

Кабель оптический одномодовый для магистральных и зоновых сетей на длину волны =1,3 мкм, километрический коэффициент затухания 0,22 дБ/км, среднеквадратичное значение дисперсии оптического волокна (ОВ) 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 при эксплуатации от -40 до +50 С.

Строительная длинна оптического кабеля должна быть не менее 2000 м. В расчётах будем брать строительную длину равную lстр=2 км. Допустимое раздавливающее усилие для данного кабеля равно 1000 Н/см, допустимое растягивающее усилие от 7000 до 80 000 Н.

1.8 Расчёт длины участков регенерации

Длинна регенерационного участка РУ цифровой волоконно-оптической системы (ЦВОСП) зависит от многих факторов, важнейшим из которых является:

энергетический потенциал (Э) ЦВОСП, равный:

Э = Рпер — Рпр, дБ, где Рпер — абсолютный уровень мощности оптического сигнала (излучения), дБм;

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

Э — энергетический потенциал определяет максимально-допустимое затухание оптического сигнала в оптическом волокне (ОВ), разъёмных и неразъёмных соединителях на РУ, а также в других узлах ЦВОСП.

дисперсия в ОВ, в, 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;

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;

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

коэффициент затухания ОВ; 1, дБ/км;

минимально детектируемая мощность (МДМ) Wмдм, соответствующая минимальному порогу чувствительности приёмного устройства — фотоприёмника ЦВОСП с заданной вероятностью ошибки.

Для определения длины РУ составляется его расчётная схема (рисунок 1.5).

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

НРП — необслуживаемый регенерационный пункт;

ПРОМ — приёмопередающий оптический модуль, преобразующий оптический сигнал в электрический, восстанавливающий параметры последнего и преобразующий его в оптический;

ОС-Н — оптический соединитель неразъёмный, число которых на единицу меньше числа строительных длин ОК, составляющих РУ;

Рисунок 1.5 — Расчётная схема РУ ЦВОСП Как следует из рисунка 1.5 затухание РУ равно:

Ару = 2Аоср + q Аосн + 1 lру + Аt + Ав, дБ, (1.6)

где Аоср — затухание, вносимое разъёмным оптическим соединителем, равное 0,5…1,5 дБ;

q — число неразъёмных оптических соединителей;

Аосн — затухание, вносимое неразъёмным оптическим соединителем, дБ;

1 — коэффициент затухания ОВ, дБ/км;

lру — длина регенерационного участка, км;

Аt — допуски на температурные изменения параметров ЦВОСП, в том числе и ОК, для типовых ВОСП равные 0,5…1,5 дБ;

Ав — допуски на ухудшение параметров элементов ЦВОСП со временем (старение, деградация и т. п.), Ав=2…6 дБ (зависит от типов источника и приёмника оптического излучения и их комбинаций).

Для линейного оборудования СП синхронной цифровой иерархии всегда известным является уровень передачи, то есть Рпер = +2…-4 дБ.

Длину регенерационного участка найдём по формуле:

lру =, км (1.7)

Энергетический потенциал Э возьмём из технических данных аппаратуры SMA1, равный 36 дБ (таблица 1.2).

Все величины в формуле (1.7) известны, кроме q — числа неразъёмных оптических соединений. Число q на единицу меньше числа строительных длин.

Определим длину РУ lру мах, считая, что затухание вносимое неразъёмными соединителями равно нулю. При таком допущении длина РУ определится из выражения:

lру мах =, км (1.8)

lру мах = = 99 (км) Теперь зная lру мах, определим число строительных длин ОК, составляющих РУ по формуле (1.9):

q= Ц (1.9)

где символ Ц означает округление в сторону большего числа.

q= = 50

Число неразъёмных оптических соединителей вычисляем по формуле (1.10):

q = q — 1 (1.10)

q = 50 — 1 = 49

Затухание, вносимое этими соединителями, равно q Аосн. Следовательно, длина РУ должна быть уменьшена на величину

l =, км (1.11)

l = = 16 (км) С учётом (1.8) — (1.11) длину РУ определим по формуле:

lру = lру мах — l, км

lру = 99 — 16 = 83 (км)

1.9 Схема организации связи

Схема организации связи между районными центрами Елховка, Сергиевск, Кошки, Исаклы, Шентала, Челно-Вершины представлена на рисунке1.6.

Для обеспечения связи между выбранными населёнными пунктами организуется 30 двухмегабитных потоков. Осталные потоки — резервные, используются на транзит, развитие, для аренды, а также для организации связи с областным кольцом.

Рисунок 1.6 — Схема организации связи

2. Расчёт параметров линейного тракта

2.1 Расчёт первичных параметров оптического волокна

Одномодовое оптическое волокно (ООВ) является направляющей системой для распространения электромагнитных волн. Для их распространения по световоду используется известное явление полного внутреннего отражения на границе двух диэлектрических сред n1 и n2, где n1 — среда распространения волны НЕ11, ограниченная средой n2, при этом n1 < n2 /1/.

Средой распространения и ограничения является кварцевое стекло с различной концентрацией легирующих добавок для получения различных показателей преломления (ПП) n1 и n2, n1 =1,46 и n2 = 1,457.

Определим относительное значение ПП:

= ,

= = 0,205

По оптоволокну эффективно передаются только лучи, Заключённые внутри телесного угла, величина которого обусловлена углом полного внутреннего отражения. Этот телесный угол характеризуется числовой аппертурой:

NA = sin =

NA = = 0,093

где — апертурный угол падения луча,

= arcsin 0,093 = 5,336

Для ООВ диаметр сердечника выбирается таким, чтобы обеспечить условия распространения только одной моды НЕ11. В этом случае, из условия одномодовости, нормированная частота:

V = ,

где d = 10 мкм — диаметр сердцевины ОВ;

=1,3 мкм — длина волны оптического излучения.

V = = 2,25

Одномодовая передача реализуется на гибридной волне НЕ11. Эта волна нулевое значение корня бесселевой функции Рnm=0,000, следовательно, она не имеет критической частоты и может распространяться при любой частоте. Все другие волны имеют конечное значение, и они не распространяются на частотах ниже критической. Интервал значений Рnm, при которых распространяется лишь один тип волны НЕ11, находится в пределах 0<�Рnm<2,25. Поэтому при выборе диаметра сердцевины ОВ и выборе частоты передачи исходим из этого условия Рnm=1,883.

Определим критическую частоту, при которой распространяется лишь один тип волны НЕ11:

f =, Гц, где с = 3 10 м/с — скорость света.

f = = 2,31 10 (Гц) Определим также длину волны:

= = = 1,298 (мкм) Таким образом, по данной направляющей системе распространяется лишь одна волна НЕ11 при о = 1,298 мкм.

2.2 Расчёт вторичных параметров оптичёского волокна

В одномодовых световодах отсутствует модовая дисперсия и в целом дисперсия оказывается существенно меньше. В данном случае возможно проявление волноводной и материальной дисперсии, но при длинах волн = 1,2…1,6 мкм происходит их компенсация, то есть мат вв /4/.

При взаимодействии всех факторов форма сигнала на приёме не известна. Поэтому в качестве меры дисперсии используется среднеквадратическая дисперсия в оптоволокне:

= н, пс/км, где = 5нм — ширина полосы длин волн оптического излучения;

н = 3,5 пс/км — номинальное значение среднеквадратической дисперсии для ОК типа ОКЛ.

= 5 3,5 = 17,5, пс/км.

Итак, = 17,5 пс/км, что существенно меньше модовой дисперсии многомодового ОК.

2.3 Расчёт быстродействия ВОСП

Выбор типа ОК может быть оценён расчётом быстродействия системы и сравнением его с допустимым значением.

Быстродействие системы определяется инертностью её элементов и дисперсионными свойствами ОК.

Полное допустимое быстродействие системы определяется скоростью передачи В, бит/с, способом модуляции оптического излучения, типом линейного кода и определяется по формуле:

t=, нс, где — коэффициент, учитывающий характер линейного сигнала (вид линейного кода). =0,7 для кода NRZ.

В соответствии с рекомендациями МСЭ-Т линейным кодом транспортных систем SDH является код NRZ.

t= = 4,52 (нс) Общее ожидаемое быстродействие ВОСП определяется по формуле:

t= 1,111, нс,

где tпер — быстродействие передающего оптического модуля (ПОМ), зависящее от скорости передачи информации и типа источника излучения; tпер = 1 нс (для скорости 155 Мбит/с);

tпр — быстродействие приёмного оптического модуля (ПРОМ), определяемое скоростью передачи информации и типом фотодетектора (ФД), tпр = 0,8, нс;

tов — уширение импульса на длине РУ.

tсв = lру, нс, где — дисперсия, определяемая в зависимости от типа волокна.

tсв = 17,5 83 = 1,45 нс

t= 1,111= 1,69 (нс),

Так как tож = 1,69 нс < tдоп = 4,52 нс, то выбор типа кабеля и длины РУ сделан верно. Величина

t = tдоп — tож

t = 4,52 — 1,69 = 2,83, нс называется запасом по быстродействию.

При tож < tдоп станционное и линейное оборудование ВОЛП будут обеспечивать безыскажённую передачу линейного сигнала.

2.4 Расчёт порога чувствительности ПРОМ

Одной из основных характеристик приёмника оптического излучения является его чувствительность, то есть минимальное значение обнаруживаемой (детектируемой) мощности оптического сигнала, при которой обеспечиваются заданные значения отношения сигнал/шум или вероятность ошибок.

В условиях идеального приёма, то есть при отсутствии и шума искажений для обеспечения вероятности ошибок не хуже 10 требуется генерация 21 фотона на каждый приёмный импульс. Это является фундаментальным пределом, который присущ любому физически реализуемому фотоприёмнику и называется квантовым пределом детектирования.

Соответствующая указанному пределу минимальная средняя мощность оптического сигнала длительностью

=, с/бит,

= = 6,45 10 (с/бит) называется минимально детектируемой мощностью (МДМ).

Минимальная средняя мощность оптического сигнала на входе ПРОМ, при которой обеспечивается заданное отношение сигнал/шум или вероятность ошибок, называется порогом чувствительности.

2.5 Расчёт затухания соединителей ОВ

Уровень оптической мощности, поступающей на вход ПРОМ, зависит от энергетического потенциала системы, потерь мощности в ОВ, потерь мощности в разъёмных и неразъёмных соединителях.

Потери мощности в ОВ нормируются и составляют, например, во втором окне прозрачности 0,36 дБ/км, а в третьем окне прозрачности 0,22 дБ/км (берутся из паспортных данных ОК).

Потери мощности в неразъёмном соединителе нормируются и составляют 0,1 дБ.

Потери в разъёмном соединителе определяются суммой Ар = аi, i = 1,2,3,4,

где а1 — потери вследствии радиального смещения на стыке ОВ (рисунок 2.1);

а2 — потери на угловое рассогласование (рисунок 2.2);

а3 — потери на осевое рассогласование (рисунок 2.3);

а4 — неучтённые потери.

Потери вследствие радиального смещения в одномодовом ОВ рассчитываются по формуле:

а1 = - 10 lq, дБ, где — величина максимального радиального смещения двух ОВ, = 1,138 мкм;

w — параметр, определяющий диаметр моды ООВ, w = 10 мкм.

а1 = - 10 lq = 0,056 (дБ) Угловое рассогласование ОВ также приводит к существенным оптическим потерям. В формулы для расчёта указанных потерь, кроме угла рассогласования, входят ещё и показатели преломления и воздуха. Из-за того, что в паспортных данных ОВ не приводится величина ПП, расчёт потерь из-за углового рассогласования вызывает определённые трудности. Поэтому принимаем а2 = 0,35 дБ.

Рисунок 2.1 — Радиальное смещение ОВ Рисунок 2.2 — Угловое рассогласование ОВ Рисунок 2.3 — Осевое рассогласование ОВ Оптические потери в разъёмных соединителях увеличиваются также в результате осевого рассогласования.

Для расчёта потерь из-за осевого рассогласования можно воспользоваться следующей формулой

а= - 10 lq, дБ, где Z — максимальное расстояние между торцами ОВ;

d — диаметр ОВ;

а — аппертурный угол.

Для достижения малых величин потерь для ООВ можно принять максимальное значение Z = 2,95. а = 5,336 (п. 2.1.).

а= - 10 lq = 0,01 (дБ),

Неучтённые потери в разъёмном соединителе можно принять равным а4 =0,01 дБ.

При существующих технологиях потери в разъёмном соединителе не превышают величины Ар = 0,5 дБ, Ар = 0,056 + 0,35 + 0,01 = 0,426 0,5 (дБ) а в неразъёмных соединителях не более Ан 0,1 дБ.

2.6 Расчёт распределения энергетического потенциала

Уровень оптической мощности сигнала, падающего на вход ПРОМ, зависит от энергетического потенциала ВОСП, потерь мощности в ОВ, потерь мощности в разъёмных соединителях, потерь в неразъёмных соединителях. Исходные данные для расчёта распределения энергетического потенциала поместим в таблицу 2.1.

Таблица 2.1

Уровень передачи оптического сигнала Рпер = - 4 дБм. Уровень сигнала после первого разъёмного соединителя:

Рр1 = Рпер — Ар = - 4 — 0,5 = - 4,5 дБм Уровень сигнала после первого неразъёмного соединителя станционного ОК и линейного ОК Рн1 = Рр1 — Ан = - 4,5 — 0,1 = - 4,6 дБм Уровень сигнала после неразъёмного соединителя на позиции 2 км Рн2 = Рн1 — lс — Ан = - 4,6 — 2 0,3 — 0,1 = - 5,3 дБм Уровень сигнала после неразъёмного соединителя на позиции 4 км Рн3 = Рн2 — lс — Ан = - 5,3 — 2 0,3 — 0,1 = - 6 дБм

Таким образом, рассчитаем уровни сигнала после всех неразъёмных соединителей. Например:

Рн4 = - 6,7 дБм Рн5 = - 7,4 дБм И так далее, до Рн49 = - 38,2 дБм Уровень сигнала после 49-го неразъёмного соединителя равен -38,2 дБм.

Уровень сигнала после 2-го разъёмного соединителя Рр2 = Рн49 — Ар = - 38,2 — 0,1 = - 38,3 дБм Уровень сигнала после 2-го разъёмного соединителя является уровнем приёма Рпр = Рр2 = - 38,3 дБм Общее затухание на оптической соединительной линии составляет Ару = Рпер — Рпр = - 4 — (- 38,3) = 34,3 дБм По результатам расчётов можно сделать вывод, что затухание на оптической соединительной лини меньше энергетического потенциала ВОСП, равного Э =36 дБ.

Эксплуатационный запас системы можно принять аз = 4 дБм.

Для транспортных систем SDH в технических данных приводится максимальный уровень приёма. Рассчитанный уровень приёма не должен быть больше максимально возможного уровня приёма, но и не должен быть ниже минимально возможного уровня приёма:

Рпр min Рпр Рпр max

— 40 дБм — 38,3 дБм — 4 дБм Таким образом, уровни оптического сигнала в точке приёма больше минимально возможного и меньше максимально возможного уровней, приводимых в технических данных ВОСП.

3. Организация управления сетью связи

Функционирование любой сети (SDH не является исключением) невозможно без её обслуживания на различных уровнях. Обслуживание сети сводится в общем случае к автоматическому, полуавтоматическому или ручному управлению системой, её тестированию и сбору статистики о прохождении сигнала и возникающих аварийных ситуациях, а также административному управлению системой.

Сетевое управление оказывает влияние как на развитие услуг и сетей связи, так и на структуру элементов сети. В системе управления сетью связи (СУСС) выделяют: элемент сети, посредник, операционную систему и рабочую станцию. Указанное решение влияет на требование к отдельным элементам сети, несмотря на то, что распределение функций в сети не оговаривается. При наличии трактов передачи СЦИ между различными элементами сети функции посредника осуществляет контроллер узла связи при дистанционном интерфейсе управления (интерфейсная сеть управления передачей — TMN).

Функции дистанционного интерфейса:

проверка состояния аварийности оборудования;

проверка соединений конфигурации TMN;

административная функция безопасности (пароль и профиль оператора);

сервисная память для всех событий в оборудовании;

контроль за значениями рабочих характеристик.

Кроме собственных адресов отдельные элементы сети должны передавать в операционную систему данные об информационных сигналах, маршрутизацию которых они выполняют, о переключении портов и состояниях системы, а также о результатах текущего контроля. Таким образом, в централизированной базе данных содержится вся информация о маршрутизации трактов в сети.