Министерство образования РФ Томский Университет Систем Управления и Радиоэлектроники

(ТУСУР) Кафедра СВЧ и КР кабель волоконный оптический монтаж

Пояснительная записка к курсовому проекту по курсу:

" Волоконно-оптические линии связи и пассивные компоненты ВОСП"

Тема курсового проекта:

" Проектирование ВОЛС Томск-Северск"

Задание

1. Инсталляция оптических сетей

1.1 Распространенные ошибки инсталляции

1.2 Единицы измерения

1.3 Планирование инсталляции

1.4 Процесс тестирования

1.5 Ресурсы по инсталляции и тестированию кабельной системы

2. ВОЛС Томск — Северск

2.1 Число каналов на магистрали

2.2 Топология и код передачи

2.3 Система передачи

2.4 Вид и конструкция ОК

2.5 Регенерационный участок

2.6 Трасса прокладки

2.7 ПОМ, ПРОМ и энергетический бюджет

3. Надежность ВОЛС

4. Смета на прокладку и монтаж ВОЛС. Экономическая оценка проекта

5. Теоретический расчет ОВ

6. Словарь известных и неизвестных терминов по ОК

Заключение

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

ЗАДАНИЕ

Наименование и назначение ВОЛС:

Требуется произвести расчет волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) Томск — Северск. Линия должна обеспечивать телефонной связью оба города, а так же передачу двух видеоканалов и передачу данных. Линия должна быть двухсторонней.

Виды и объемы передаваемой информации:

Заданная ВОЛС должна обеспечивать оба города телефонной связью между собой. Количество необходимых каналов для этого должно быть рассчитано в проекте. Так же линия должна обеспечивать передачу двух видеоканалов в обе стороны и обеспечивать передачу данных. Для передачи данных количество каналов также должно быть рассчитано в проекте.

Трассы прокладки:

В проекте должна быть выбрана трасса прокладки и рассмотрены все возможные варианты прокладки кабеля. Выбор трассы должен быть обоснован.

Массогабаритные и стоимостные характеристики:

В проекте требуется привести характеристики выбранного кабеля и стоимость кабеля, а так же периферийных устройств, ПОМ и ПРОМ.

Теоретический расчет ОВ:

В проекте требуется провести теоретический расчет ОВ, т. е. расчет всех параметров оптического волокна.

В настоящее время требования к передаче данных значительно выросли и постоянно растут. Отличным решением проблемы служит волоконно-оптический кабель (ВОК). Технологии высокоскоростной передачи данных, такие как Gigabit Ethernet и ATM, вкупе с высоким быстродействием современных микропроцессоров предъявляют повышенные требования к существующей инфраструктуре на основе медного кабеля. Однако в настоящее время возможности передачи информации ограничены скоростью 100 Мбит/с и расстоянием порядка в сотни метров. В то же время волоконно-оптическая среда передачи данных поддерживает скорости от 9,6 Кбит/с до 40 Гбит/с и расстояния до 2 км. Вложения в такую кабельную систему надежно защищены — если она и устареет, то очень нескоро. Располагая сетью на основе ВОК, компания без труда перейдет на более скоростные технологии, соответствующие требованиям применяемых приложений. Например, волоконно-оптическая линия может служить изначально в качестве канала SCADA, обеспечивающего передачу со скоростью 9,6 Кбит/с, а затем эксплуатироваться как линия SONET OC-12 на 622 Мбит/с. Для этого надо лишь сменить оконечное оборудование.

Естественно, ВОК система будет соответствовать требованиям высокоскоростных технологий только при правильном ее проектировании и инсталляции. В данном курсовом проекте рассматриваются распространенные ошибки при инсталляции ВОК, производится расчет ОВ и ВОК, и приводится экономическое обоснование выбора соответствующего кабеля.

1. ИНСТАЛЛЯЦИЯ ОПТИЧЕСКИХ СЕТЕЙ

1.1 Распространенные ошибки инсталляции

Приступая к реализации любого проекта, всегда полезно знать, чего именно следует избегать. Ниже перечислены некоторые наиболее распространенные ошибки, часто встречающиеся при инсталляции систем на основе ВОК.

Небрежное планирование. Данная ошибка наиболее типична при прокладке любого, а не только волоконно-оптического телекоммуникационного кабеля. Схему кабельной сети, поддерживающих ее устройств и оконечных компонентов необходимо тщательно продумать и спланировать (в данном проекте главной целью стоит разработка схемы кабельной сети). Если кабельная проводка должна инсталлироваться в строящемся или реконструируемом здании, то строительство или реконструкцию следует осуществлять с учетом последующей прокладки кабельной системы. Планирование телекоммуникационной системы не следует оставлять «на потом», тем самым вы увеличите стоимость работ и усложните их.

Приобретение волоконно-оптического кабеля без знания его рабочих спецификаций и характеристик. Прежде чем покупать кабель, следует разобраться в таких его характеристиках, как коэффициент отражения, диапазон рабочих частот кабеля, потери на километр длины при рабочей длине волны, физические размеры оптического волокна (ОВ) и оболочки, а также максимальное усилие, которое разрешается применять к кабелю, чтобы не повредить его внутренние волокна (нити стекловолокна).

Применение ВОК без результатов фабричного тестирования. Производитель кабеля после «сборки» продукции выполняет ее всесторонне тестирование, чтобы определить, отвечает ли она требованиям спецификаций, и защитить себя от возможных дополнительных расходов на возмещение ущерба покупателю. Каждая катушка ВОК должна поставляться с отчетом о результатах фабричного тестирования. Без такой информации нельзя быть уверенным, что полученная продукция соответствует предъявленным требованиям.

Невыполнение тестирования кабеля после его доставки. Это вторая по распространенности ошибка, встречающаяся в процессе инсталляции ВОК системы. Если вы не протестируете кабель перед инсталляцией, то определить, когда он был поврежден — при поставке или при прокладке, будет невозможно. Для этого необходимо использовать, как минимум, источник и измеритель мощности оптического сигнала, с целью проверки прохождения света по каждому волокну нового кабеля. При получении (пока он еще находится в катушке) лучше всего проверить его с помощью оптического измерителя отраженного сигнала (Optical Time Domain Reflectometer, OTDR) — инструмента определения профиля каждого волокна кабеля.

Недостаточная протяженность кабеля в телекоммуникационном шкафу (для обеспечения правильной концевой заделки). Обычно рекомендуется оставлять от 3 до 3,5 м кабеля. Это облегчит внесение изменений в монтажном шкафу и уменьшит стоимость работ — при каких-либо модификациях (например, реорганизации монтажного шкафа) вам не придется наращивать кабель или заменять его на другой, более длинный.

Невыполнение контрольного тестирования и документирования проложенного волоконно-оптического кабеля (охватывающего одно здание или комплекс зданий) перед инсталляцией оконечного оборудования. Без тестирования проложенного кабеля нельзя быть уверенным в правильности инсталляции. В случае неправильной инсталляции производительность может серьезно пострадать. Более того, отсутствие документации по кабельной проводке затруднит впоследствии диагностику и устранение неисправностей. Ниже будет рассказано о процедурах тестирования для проверки правильности инсталляции и соответствия кабельной системы требованиям производительности.

Невыполнение анализа оптических потерь до покупки и подключения оконечного оборудования. Бюджет оптических потерь — это разность между мощностью передаваемого по кабелю сигнала и оптической чувствительностью приемника, измеряемая в децибелах (дБ). Бюджет следует составить до прокладки кабеля и подключения оконечных устройств, а не предполагать заранее, что все будет работать, чтобы потом обнаружить проблемы.

Отсутствие защиты магистрального ВОК путем его оконечного подключения к коммутационной панели. Для сохранения инвестиций каждый магистральный ВОК должен быть заделан в защищенный корпус, а каждое волокно кабеля иметь соединитель. После этого с помощью коротких перемычек кабель можно подключать к оконечному оборудованию.

Невыполнение тестирования оконечного волоконно-оптического оборудования перед его установкой. Во всех случаях аппаратное обеспечение нужно тестировать. Это позволит установить, будет ли данное оборудование взаимодействовать с другими оконечными устройствами. Во время такой контрольной установки полезно проверить мощность оптического выхода коммуникационного оборудования и определить долю ошибочных битов (Bit Error Rate, BER).

Комбинирование многомодовых и одномодовых волоконно-оптических компонентов. Такое сочетание компонентов создает избыточные оптические потери там, где их быть не должно. Основная разница между одномодовым и многомодовым оптическим волокном состоит в допусках на волоконно-оптические разъемы, соединительные муфты, стыки и другие компоненты. Для многомодовых компонентов размер допуска составляет ±3 микрона, а для одномодовых компонентов ±1 микрон. Таким образом, одномодовые волоконно-оптические компоненты можно применять в многомодовых инсталляциях, но не наоборот. В первом случае подобная замена допустима лишь в экстренных случаях, поскольку одномодовые компоненты на порядок дороже многомодовых аналогичного назначения. Для отделения одномодовых участков от многомодовых каждое волокно должно заканчиваться в отдельном блоке. Такая концевая заделка защищает его и обычно предусматривает применение оптической панели переключений, при этом каждое волокно кабеля получает отдельный соединитель.

1.2 Единицы измерения

При покупке, инсталляции и тестировании волоконно-оптических систем необходимо знать единицы измерения. В США для выражения различных измерений ВОК проводки применяется метрическая система. Длина кабеля выражается в метрах или километрах, а диаметр кабеля — в сантиметрах или миллиметрах. Диаметр ОВ измеряется в микронах (микрон — одна миллионная доля метра). Сердцевина многомодового волокна имеет обычно диаметр в 62,5 микрон, а одномодового волокна — 8 микрон. Диаметр оболочки стекловолокна, применяемого в коммуникационных приложениях, как правило, равен 125 микрон. Волокно многомодового кабеля характеризуется большей частью отношением диаметров сердцевина/оболочка, например 62,5/125, 50/125 или 100/140.

Длина волны оптического сигнала измеряется в нанометрах (нм). Нанометр равен одной миллиардной доле метра. Обычно оптические источники, применяемые в волоконно-оптических системах, имеют длину волны 850, 1300 или 1550 нм. Некоторое старое оборудование работает с волнами 780 и 1310 нм.

Еще одной важной характеристикой является оптическая мощность, изменяемая в милливаттах или децибелах (чаще применяются последние). Децибел — это логарифмическое отношение двух уровней мощности, определяемое по формуле: разница мощности в дБ = 10 ln (мощность1/мощность2). Милливатты используются редко, поскольку получаемые значения очень малы. Типичной единицей измерения, применяемой в волоконно-оптических системах, является такая единица, как дБм (dBm) — измеренная мощность относительно уровня в 1 милливатт (0,001 ватт). В этом случае разница мощности в дБм = 10 ln (мощность1/0,001). Естественно, параметр «мощность1» измеряется в милливаттах. Спецификации источников оптического сигнала (трансмиттеров) и оптических детекторов (ресиверов) даются в децибелах.

Таблица 1.1 — Относительные уровни в дБ

В Таблице 1.1 указаны значения, представляющие некоторые относительные уровни сигналов в волоконно-оптической системе в децибелах.

Оптические потери в системах на основе ВОК также выражаются в децибелах. Оптические потери привносит сам ВОК, разъемы, соединительные муфты, стыки и т. д.

1.3 Планирование инсталляции

При выборе волоконно-оптического кабеля для инсталляции необходимо принимать во внимание четыре важных фактора: влияние на кабель внешней среды (независимо от того, предназначен он для использования внутри или вне помещения), обеспечиваемый им диапазон рабочих частот, его непрерывность и характеристики затухания (ослабления сигнала). Все эти обстоятельства очень важны при спецификации и покупке волоконно-оптического кабеля, но на последние два (непрерывность и затухание) на этапе инсталляции следует обращать особое внимание.

Подверженность кабеля влиянию среды зависит от его физической конструкции и планируемого места прокладки. Кабели, укладываемые в грунт, отличаются от кабелей, прокладываемых в специальных коробах внутри помещения.

Поддерживаемый кабелем диапазон рабочих частот зависит от типа волоконно-оптического кабеля (одномодовый или многомодовый) и его качества. В смысле качества параметры затухания и диапазон частот связаны обратным отношением, иными словами, чем шире диапазон частот кабеля, тем меньше затухание (т. е. выше качество).

Бюджет запаса мощности предоставляет удобный метод анализа и количественной оценки потерь в волоконно-оптической линии. Бюджет мощности линии представляет собой сумму усилений и потерь на пути передачи сигнала от трансмиттера (через кабель и разъемы) к оптическому приемнику, включая запас мощности (которого мы коснемся ниже). Разность между передаваемой оптической мощностью и потерями в разъемах и соединителях должна находиться в границах между переданной мощностью и порогом чувствительности приемника. Чрезмерно большая оптическая мощность может указывать на насыщение оптического приемника, а слишком маленькая говорит о том, что приемник близок к своему порогу чувствительности. Это обычно сказывается на увеличении доли ошибок BER или выражается в нарушении работы кабеля и оконечного оборудования.

Результаты данного анализа позволят проверить наличие у волоконно-оптической линии достаточной мощности для преодоления потерь и корректного функционирования. Если анализ показывает обратное, то кабельную систему придется проектировать заново, чтобы она обеспечивала пересылку данных из конца в конец. Скорее всего, решение этой задачи потребует увеличения оптической мощности передатчика, повышения оптической чувствительности приемника, уменьшения потерь в волоконно-оптическом кабеле или разъемах либо применения всех перечисленных мер.

Составление бюджета запаса мощности — одна из наиболее важных задач при планировании инсталляции волоконно-оптической системы. При этом необходимо учитывать следующие факторы.

— Срок эксплуатации оптического трансмиттера (мощность трансмиттеров, как правило, падает с течением времени).

— Любое увеличение физической нагрузки на кабели (при этом потери в кабеле возрастают).

— Микроизгибы кабеля.

— Износ соединителей при их подключении и замене (это вызывает нарушение центровки и увеличение потерь при прохождении сигнала через разъем).

— Загрязнение оптических соединителей (пыль или грязь могут не пропустить сигнал через соединитель).

Запас мощности должен допускать некоторые вариации в рабочих характеристиках системы, не сказываясь на значении BER. Типичный запас мощности находится в границах от 3 до 6 дБ. Между тем никаких жестких правил относительно величины запаса мощности не существует. Необходимый запас зависит от типа волоконно-оптического кабеля, соединителей и применяемого оборудования (а также вашего опыта работы с ним). Если вы решили сделать запас мощности нулевым, то волоконно-оптическая линия должна иметь в точности ту оптическую мощность, которая необходима для преодоления потерь в кабеле и соединителях (при этом малейшее дополнительное ослабление сигнала чревато ухудшением характеристик передачи). Такого «нулевого варианта» следует по возможности избегать.

Вычисление бюджета мощности лучше всего описать на примере. Приведенные ниже спецификации являются общими для многих типов волоконно-оптических кабелей и соединителей.

Если выходная мощность оптического трансмиттера (согласно спецификациям) равна -10 дБм, а чувствительность оптического приемника составляет -22 дБм (при BER 10−6), то бюджет мощности равен -10 дБм — (-22 дБм) или +12 дБ. Этот результат означает, что для преодоления всех потерь в линии имеется мощность в 12 дБ.

Следующий шаг состоит в вычислении общих потерь в волоконно-оптической линии. Если затухание (ослабление сигнала) в кабеле при уровне 4 дБ/км равно -2 дБ (для участка 500 м), а потери в двух разъемах составляют по -1 дБ, то общие потери в волоконно-оптической линии определяются как -2 дБ + (-2 дБ) = -4 дБ.

Вычисленный запас мощности равен сумме +12 дБ и -4 дБ, т. е. +8 дБ. Данный результат превышает наши ориентировочные значения запаса мощности в +3 дБ. Таким образом, следует ожидать, что волоконно-оптическая линия будет функционировать очень надежно и с низким значением BER. (Анализ бюджета мощности представлен на Рисунке 1.1)

Рисунок 1.1

Волоконно-оптическая линия должна иметь запас мощности не менее 3 дБ. Это гарантирует ее надежное функционирование и малое количество ошибок (Bit Error Rate, BER). В данном примере бюджет мощности вычисляется путем вычитания оптической чувствительности трансмиттера из оптической чувствительности приемника, т. е. (-10 дБм) — (-22 дБм) = +12 дб. Совокупные оптические потери равны сумме потерь в кабеле и разъемах. Вычисленный запас оптической мощности — это бюджет мощности минус общие оптические потери, т. е. (+12 дБ) — (-4 дБ) = +8 дБ. Полученный запас мощности (+8 дБ) превышает желательный (+3 дБ). Таким образом, данный проект можно считать приемлемым.

1.4 Процесс тестирования

После инсталляции кабельной системы нужно протестировать ее и убедиться, что все сделано корректно. Сколько для этого потребуется оборудования и какого именно, зависит от степени вашего участия в проекте. Тестовое оборудование может быть самым разным — от простых измерителей мощности до сложных оптических измерителей отраженного сигнала (OTDR). Обычно тестирование и необходимое для него оснащение можно разделить на три уровня: низкий, средний и высокий. Между тем некоторые элементы типичны для всех уровней тестирования. Например, инструменты для тестирования ВОК предлагаются в виде тестовых комплектов, включающих в себя сумку для переноса инструментов, средства связи (например, радиопереговорные устройства), несколько соединительных муфт, очистителей, хлопковых протирок и хороших тестовых кабелей. Многие из данных элементов представляют собой расходные материалы, так что их можно выбросить после использования.

Кроме того, все оборудование для тестирования волоконно-оптических сетей должно поддерживать различные типы оптических соединителей, применяемых в кабельной системе (или иметь переходные адаптеры), а также многомодовый и одномодовый кабели. Помимо этого, оно должно быть калибровано в соответствии с оптическим окном, используемым оконечным волоконно-оптическим оборудованием. При тестировании на нижнем уровне тестер применяется просто для проверки сигнала в соединителе, без измерения точного значения его оптической мощности. Такая проверка дает результат типа «проходит/не проходит» и не является тестированием в полном смысле этого слова. Ее цель состоит лишь в выяснении причины сбоя — оконечное оборудование, или пресловутое back-hoe-fade. При этом фактические данные измерений не имеют значения. Подобное тестирование обходится недорого, а все оснащение сводится к одному простому измерителю мощности. Стоимость такого тестового комплекта составляет от 300 до 500 долларов.

Тестирование на среднем уровне предусматривает измерение потерь в волоконно-оптическом кабеле и характеристик отраженного сигнала (OTDR). Такие тесты позволяют сертифицировать инсталлированный волоконно-оптический кабель (измерив потери и непрерывность маршрутов между конечными точками). Составленная на основе полученных данных документация полезна при диагностике и устранении неисправностей.

Большинство пользователей волоконно-оптических сетей выполняют тестирование именно на этом уровне. Для подобной проверки необходим оптический источник с корректной длиной волны, измеритель мощности среднего класса и оптический измеритель отраженного сигнала (OTDR). Стоимость данного тестового комплекта может составить от 6000 до 12 000 долларов, причем основные затраты вызваны необходимостью измерения OTDR. Высокоуровневое тестирование предполагает сертификацию инсталлированного кабеля с помощью тестера, диагностику и устранение проблем, а также подготовку кабельной системы к передаче данных со скоростью, превышающей 100 Мбит/с. Для этого требуется все оборудование, необходимое для тестирования среднего уровня, плюс инструменты для измерения обратных потерь в инсталлированном ВОК, оптический аттенюатор с переменными характеристиками (или несколько оптических аттенюаторов с фиксированными значениями потерь) и комплект для определения значения BER при высокой скорости передачи данных. Оптические аттенюаторы включаются в маршрут передачи сигнала для имитации наихудших условий в кабельной системе (с учетом оптических спецификаций оконечного оборудования). Стоимость такого тестового комплекта от 15 000 до 30 000 долларов (в случае портативного оборудования тестирования на объектах заказчика); наиболее дорогостоящи средства тестирования обратных потерь, OTDR и измерения BER.

На данном уровне тестирования система проверяется на надежность передачи сигналов между выбранными пунктами с заданным коэффициентом BER. Следует отметить, что проверка BER на высоких скоростях передачи данных может потребовать многочасовых измерений. Точность тестирования BER должна достигать уровня 10−10 или 10−11 либо того уровня, на который комплект тестов BER рассчитан. Если кабельная система и оконечное волоконно-оптическое оборудование функционируют корректно, то тестирование BER позволит добиться заданной точности. В основном доступное для тестирования BER оборудование соответствует уровню 10−9, а более дорогие модули BER позволяют проводить его с точностью 10−10 или 10−11. Скорость передачи данных в тестах BER часто бывает кратна скорости передачи в волоконно-оптической линии. Например, цена тестового комплекта для проверки волоконно-оптической линии, предназначенной для передачи данных со скоростью OC-12 (около 622 Мбит/с), весьма высока. В этом случае можно использовать более дешевый тестовый комплект, рассчитанный на скорости передачи данных DS-3 (около 45 Мбит/с) или STS-3 (около 52 Мбит/с). Такие тесты позволят очень точно измерить коэффициент BER для маршрута передачи данных со скоростями 622 Мбит/с или выше. Поток данных OC-12, как правило, состоит из нескольких сигналов DS-3 или E-3. Тестовые комплекты BER для DS-3 или E-3 стоят значительно меньше модуля для OC-12. (Подробнее об этом рассказывается во врезке " Советы по тестированию" .)

1.5 Ресурсы по инсталляции и тестированию кабельной системы

Выше рассматривались основные проблемы тестирования кабельной системы; за более подробной информацией следует обращаться к другим источникам. В частности, методам тестирования волоконно-оптических сетей посвящены стандарты Ассоциации промышленности средств связи/Ассоциации изготовителей электронного оборудования (TIA/EIA). Данные стандарты довольно подробны и описывают все известные параметры, спецификации, а также конкретные ситуации тестирования ВОК.

Стандарты тестирования волоконной оптики могут быть разбиты на три основные группы: «Процедуры тестирования систем на основе ВОК» (Optical Fiber Systems Test Procedures, OFSTP), «Процедуры тестирования волоконной оптики» (Fiber Optic Test Procedures, FOTP) и «Спецификации инструментов тестирования волоконной оптики» (Specifications for Fiber Optic Testing Tools). Базовый документ серии OFSTP, TIA/EIA-526−92, перечисляет процедуры тестирования систем в соответствии с номерами тестов. В базовом документе серии FOTP, TIA/ EIA-455−91, содержится примерно 190 отдельных тестов для волоконно-оптической кабельной системы (для различных требований и ситуаций). Чтобы приобрести копии данных стандартов или проверить даты принятия конкретного стандарта, надо связаться с организацией Global Engineering Documents по тел. (800) 854−7179 или посетить ее узел Web по адресу: http://global.his.com/ (необходимую информацию можно найти там с помощью поиска по ключевым словам " fiber optics" ).

2. ВОЛС ТОМСК — СЕВЕРСК

кабель волоконный оптический монтаж

Порядок расчета линии:

1. Расчет количества каналов, необходимых для передачи телефонных сообщений, видео и данных.

2. Выбор конструкции кабеля.

3. Расчет бюджета мощности и длины регенерационного участка.

4. Исходя из длины кабеля, длины регенерационного участка, конструкции кабеля, стоимости кабеля и стоимости работ по его прокладке выбирается трасса линии передачи.

2.1 Число каналов на магистрали

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

Численность населения определяется на основании статистических данных последней переписи населения. Обычно перепись населения осуществляется один раз в пять лет, поэтому при перспективном проектировании следует учесть прирост населения. Количество населения в заданном пункте и его подчиненных окрестностях с учетом среднего прироста населения

чел. (2.1)

где — народонаселение в период переписи населения, чел.;

— средний годовой прирост населения в данной местности, % (принимается по данным переписи 2−3%);

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

Год перспективного проектирования принимается на 5 лет вперед по сравнению с текущем временем. Следовательно,, где — год составления проекта; - год, к которому относятся данные .

Степень заинтересованности отдельных групп населения во взаимосвязи зависит от политических, экономических, культурных и социально-бытовых отношений между группами населения, районами и областями. Взаимосвязь между заданными оконечными и промежуточными пунктами определяется на основании статистических данных, полученных предприятием связи за предшествующие проектированию годы. Практически эти взаимосвязи выражаются через коэффициент тяготения, который как показывают исследования, колеблется в широких пределах (от 0,1 до 12%). Для данного проекта примем 5%.

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

(2.2)

где и — постоянные коэффициенты, соответствующие фиксированной доступности и заданным потерям; обычно потери задаются 5%, тогда =1,3; =5,6; - коэффициент тяготения, 0,05 (5%); - удельная нагрузка, т. е. средняя нагрузка, создаваемая одним абонентом, =0,05 Эрл; и — количество абонентов обслуживаемых оконечными станциями АМТС соответственно в пунктах, А и Б.

В перспективе количество абонентов, обслуживаемых той или иной оконечной АМТС, определяется в зависимости от численности населения, проживающего в зоне обслуживания. Принимая средний коэффициент оснащенности населения телефонными аппаратами равным 0,4 для Северска и Томска, количество абонентов в зоне АМТС

(2.3)

где находится из формулы (2.1).

Таким образом можно рассчитать число каналов для телефонной связи между выбранными оконечными пунктами. Но по оптическому кабелю организуют каналы и других видов связи, а также могут проходить и транзитные каналы. Общее число каналов между двумя междугородными станциями заданных пунктов

(2.4)

где — число двухсторонних каналов для телефонной связи;

— то же для телеграфной связи;

— то же для передачи телевидения;

— то же для проводного вещания;

— то же для передачи данных;

— то же для передачи газет;

— транзитные каналы.

Поскольку число каналов для организации связи различного назначения может быть выражено через число телефонных каналов, т. е. каналов ТЧ, например: 1 ТВ кан. = 1600 ТФ кан.; 1 ТГ кан. = 1/24 ТФ кан.; 1 ПВ кан. = 3 ТФ кан. и т. д., целесообразно общее число каналов между заданными пунктами выразить через телефонные каналы. Для данного курсового проекта примем:

Следует учесть, что передачу данных мы будем осуществлять по выделенным линиям, скорость передачи данных по которым равна 128 КБит/с. Таким образом, получается, что 1 ПД кан. = 2 ТФ кан., но далеко не всем жителям требуются выделенные линии, поэтому возьмем 40% от числа ПД каналов.

Общее число каналов рассчитывают по следующей формуле

(2.5)

где — число двухсторонних телефонных каналов определяют по (2.2); - число двухсторонних телевизионных каналов; - число двухсторонних каналов передачи данных.

Табл.2.1. Число каналов для данных городов

2.2 Топология и код передачи

Топология:

ВОЛС Томск — Северск представляет собой магистраль, для которой оптимальной, с точки зрения надежности связи и экономичности, будет топология типа «шина». В случае повреждения одного из волокон внутри кабеля, можно предусмотреть возможность резервного переключения (дублирования) на дополнительные волокна внутри кабеля. Остальные типы топологий, такие как: звезда, кольцо, — не пригодны в плане их неэкономичности и ненадежности для данной трассы. Наибольшая степень резервирования — в полносвязной топологии, но она неэкономична! Необходимо найти компромисс между стоимостью и надежностью, этим условиям вполне удовлетворяет топология типа «шина» .

Код передачи:

Код должен быть линейным, т.к. система оптическая и передача сигнала разной полярности невозможна. С точки зрения помехоустойчивости оптоэлектронной системы передачи информации наиболее оптимальным является код NRZ (No Return to Zero — без возврата к нулю), т.к. энергетический запас канала падает из-за уменьшения средней мощности источника излучения и для кода NRZ это падение равно 3 дБ, а для RZ — 6 дБ. Исходя из вышеизложенного выбираем код NRZ.

2.3 Система передачи

Системы передачи SDH (Синхронной Цифровой Иерархии) на сегодняшний день являются наиболее скоростными, в то время как PDH (Плезиохронная Цифровая Иерархия) не отвечает современным запросам передачи данных и постепенно выводится из обращения. Поэтому в проекте будем опираться на системы SDH.

Пропускная способность канала связи для передачи требуемого числа ТФ каналов:

3 651 ^. 64 Кбит/с = 233,664 Мбит/с где 64 Кбит/с — скорость передачи по одному ТФ каналу.

Для обеспечения требуемой нам скорости подходит система передачи: STM-4 622Мбит/с.

Табл.2.2. Системы передачи STM

2.4 Вид и конструкция ОК

Принцип маркировки ОК: NNN PB — M6П — 10 — 0,4 — 8 (8 000 H)

NNN — наименование кабеля (определяемое рабочей длиной волны);

P — обозначения типа силового элемента;

B — обозначение типа «бронепокров» ;

M — модульная или иная конструкция;

6 — количество элементов в повиве;

П — тип центрального силового элемента;

10 — тип оптического волокна (NZDS, SM, MM);

0,4 — предельное значение коэффициента затухания на км;

8 — число ОВ в кабеле;

8 000 Н — максимальное растягивающее усилие.

ОК следует выбирать исходя из длины канала и скорости передачи.

В зависимости от длины канала различают:

* магистральные каналы (600 км < L < 2500 км);

* зональные (100 км < L < 600 км);

* внутриобъектовые (городские) (10 км < L < 80…100 км);

* локальные (0,2 км < L < 3…5 км).

Т.к. в данном проекте рассматриваются два варианта прокладки кабеля: по ЛЭП и в грунт (см. ниже п. 2.6), то следует рассмотреть две различные конструкции ОК. Так же следует определиться с числом ОВ в кабеле.

Число ОВ в кабеле:

Для передачи всех каналов нам потребуется одно ОВ в одну сторону (Томск — Северск) и одно в обратную (Северск — Томск), итого 2. Но для надежности следует взять еще как минимум 2 волокна для дублирования. Возьмем исходя из надежности и перспективы роста трафика количество ОВ равное 6.

Для выбора кабеля воспользуемся каталогом известной российской фирмы «Телеком Комплект Сервис» (www.tks.ru) за 2001 год и прайс-листом от 23.10.2001 на кабельную продукцию.

ОК для прокладки в грунт:

Длина трассы 11 км. В наших условиях кабель прокладывается в грунт 2-й категории зараженный грызунами. Трасса прокладки проходит через мост. В зонах городов кабель прокладывается в канализации. Из прайс-листа «ТКС» можно выделить следующие типы ОК, отвечающие заданным условиям:

Табл.2.3. Городские ОК для прокладки в грунт

Из перечисленных ОК нам подходит 305 102 ОКС-М6П-10−0,4−6, т.к. он содержит необходимое нам число волокон. Спецификация из каталога «ТКС-2001» на данный ОК приведена в приложении (см. Приложение 1).

Самонесущий ОК:

Длина трассы 16 км. Кабель подвешивается на ЛЭП с напряжением до 100 кВ. Из прайс-листа «ТКС» можно выделить следующие типы ОК, отвечающие заданным условиям:

Табл. 2.4. Самонесущие ОК

Из перечисленных ОК нам подходит 302 502 ОКА-М6П-10−0,4−6 (8 000 Н), т.к. он содержит необходимое нам число волокон. Спецификация из каталога «ТКС-2001» на данный ОК приведена в приложении (см. Приложение 1). Далее из двух типов ОК выбирается один, исходя из выбора трассы прокладки, стоимости кабеля и стоимости работ по его укладке.

2.5 Регенерационный участок

Для данной ВОЛС Томск — Северск расчет регенерационного участка нецелесообразен, т.к. даже на плохих ВОЛС длина регенерационного участка превышает 30 км. В нашем же проекте максимальная длина кабеля составляет 16 км (подвес к ЛЭП), а для прокладки в грунт еще меньше 11 км.

2.6 Трасса прокладки

В технологии прокладки ОК много общего с технологией прокладки электрических кабелей связи. Спецификой прокладки ОК являются ограничения на величину изгиба кабеля и уровень прикладываемой механической нагрузки. Превышение нагрузок может привести к обрыву ОК, либо к дефектам волокна, которые в дальнейшем станут причиной отказов в работе оптической линии.

Прокладка ОК может проводиться:

в каналах кабельной канализации;

в грунте;

путем подвески ОК к опорам воздушных линий электропередачи или контактной сети железных дорог;

по стенам зданий и внутри помещений.

Трасса прокладки ОК определяется расположением оконечных пунктов. Все требования, учитываемые при выборе трассы сводятся к трем основным: минимальные капитальные затраты на строительство; минимальные эксплуатационные расходы; удобство обслуживания.

ВОЛС Томск — Северск можно проложить двумя способами: в грунт (рядом с автомобильной дорогой) или подвесить к ЛЭП (Линии ЭлектроПередачи, по которой в Томск поступает электричество с Северской АЭС). Из двух вариантов нужно выбрать один. Для этого сделаем экономическую оценку затрат на обе трассы.

Экономическая оценка:

Результаты анализа приведем в виде таблицы.

Табл. 2.5. Затраты на прокладку ОКС и ОКА

При подвесе ВОК к ЛЭП можно купить подвешивающую машинку в собственное пользование и заплатить рабочим за каждый подвешенный км, а можно нанять подрядческую фирму, которая возьмется за работу с собственной машинкой. В данном случае заказчик проекта сам выбирает, что он будет делать: покупать собственное оборудование или наймет фирму. В данном проекте мы исходили из минимума затрат.

Из Табл. 2.5 можно сделать следующие выводы:

— при соотношении длин «земляной» и «воздушной» трасс, как 2:3 на коротких дистанциях до 30 км прокладывать ОК в грунт дешевле, чем подвешивать;

— для подвеса покупать собственное оборудование дороже, чем нанимать фирму, но в отличие от найма, оборудование останется в личное пользование. Если в перспективе у вас стоит расширение (удлинение линии), то целесообразнее купить собственное оборудование.

— исходя из данных приведенных в таблице выбираем «земляную» трассу, т. е. прокладка в грунт и соответствующий кабель 305 102 ОКС-М6П-10−0,4−6.

Полная экономическая оценка проекта вынесена в отдельную главу.

Трассы, предложенные к рассмотрению, нанесены на карту и выделены цветом. Карта с трассами приведена в приложении (см. Приложение 3).

2.7 ПОМ, ПРОМ и энергетический бюджет

Передающий оптический модуль:

Для системы STM-4 необходимо взять передающий модуль со скоростью 622 Мбит/с. Будем использовать лазерный одномодовый диод, для минимизации влияния дисперсии на трассу. Важными характеристиками модуля являются: диапазон рабочих температур; мощность излучения; пиковое значение длины волны излучения; ширина спектральной полосы (на половине высоты пика); время нарастания импульса; срок службы; напряжение в цепи питания; пространственное распределение мощности излучения на выходе. Для обеспечения всех заданных условий и характеристик воспользуемся диодом НИИ «Полюс» ПОМ-15Б, для которого:

Длина волны: 1500−1580 нм.

Выходная мощность: 0,5−0,1 мВт.

Ток накачки: 70−120 мА.

Ширина спектральной линии: 0,01 нм.

Скорость передачи: 2400 Мбит/с.

Диапазон рабочих температур: (- 40,+55) градусов Цельсия.

Энергетический бюджет:

Уровень оптической мощности сигнала, падающего на вход ПРОМ, зависит от энергетического бюджета ВОСП, потерь мощности в ОВ, потерь мощности в разъёмных соединителях, потерь на неразъемных соединениях.

Суммарные потери в канале определяются следующим соотношением:

А = 2А_оср + q А_осн + 1 l + А_t + А_в+А_кода, дБ, (2.6)

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

q — число неразъёмных оптических соединителей (равно шести: три на сварку ремонтных участков и три на непредвиденные обстоятельства);

А_осн — затухание, вносимое неразъёмным оптическим соединителем, дБ (принято равным 0,2 дБ);

1 — коэффициент затухания ОВ, дБ/км;

l — длина канала, км (для этой трассы 8 км);

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

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

А_кода — потери энергии при передаче информации по линии (для выбранного кода NRZ составляет 3 дБ) Произведем расчет по формуле 2.6:

А=21,5+0,2 ^.6+0,4 ^.11+1,5+6+3=19,1 дБ.

Уровень мощности определяется в дБм:

Р_пер=10lg(Р_пер/Р₀), (2.7)

где P₀=1мВт.

Р_пер=10lg(0,3мВт/1мВт)= -3,01 дБм.

Минимально допустимый энергетический бюджет элементарного канала рассчитывается по формуле:

Э_мин = Р_пер -А, (2.8)

Э_мин = -3,01−19,1=22,11 дБм.

Приемный оптический модуль

К фотодетектору предъявляются следующие требования: высокая чувствительность в рабочем диапазоне длин волн, малая инерционность, низкий уровень шума, малые габаритные размеры. Для характеристики фотодетектора указывают значения следующих его параметров: площадь активной поверхности (мм²); область спектральной чувствительности (мкм); длину волны, соответствующую наибольшей спектральной чувствительности (мкм); время нарастания отклика (нс); рабочее напряжение (В); пробивное напряжение (В); темновой ток (нА); ёмкость (пФ); рабочую температуру (^оС); чувствительность (величину отклика), А/Вт. Для обеспечения заданной скорости приема и энергетического бюджета выберем фотоприемник ФПМ-622ЛМ, для которого:

Скорость приема: 622 Мбит/с.

Чувствительность: -44 дБм.

Напряжение питания: +5, -5, +45.

Рассчитаем энергетический бюджет исходя из выбранных ПОМ и ПРОМ:

Э= -3,01 дБм -(-44 дБм) = 40,99 дБм

Выбранные ПОМ и ПРОМ с высокой степенью надежности обеспечивают минимальный энергетический бюджет.

3. НАДЕЖНОСТЬ ВОЛС

Проблема обеспечения надежности весьма актуальна для ВОСП, предназначенных для больших объемов информации и имеющих большую длину участков регенерации, т. е. более протяженные участки обслуживания. Поэтому очень важно предварительно рассчитать их надежность с тем, чтобы получить требуемые показатели в процессе эксплуатации аппаратуры ВОСП.

Показатели надежности:

Надежность объекта (ГОСТ 27.002−83) — его свойство сохранять во времени и установленных пределах значения всех параметров, характеризующих качество передачи информации в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования.

Комплексный показатель надежности — коэффициент готовности (К_г), определяющий вероятность работоспособности объекта в произвольный момент времени (кроме планируемых периодов, в течение которых использование объекта по назначению не предусматривается).

Безотказность (ГОСТ 27.002−83) — свойство СП непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки.

Ее характеризуют два показателя:

наработка на отказ Т_о — среднее время между отказами системы (элемента), ч;

интенсивность отказов Л— среднее количество отказов в единицу времени, 1/ч.

Для восстанавливаемых объектов одним из важнейших свойств, составляющих надежность, является ремонтопригодность. Под ремонтопригодностью (ГОСТ 27.002−83) понимается приспособленность СП к предупреждению неисправности, обнаружению ее характера и устранению последствий путем проведения ремонтов и технического обслуживания. Ремонтопригодность характеризуется средним временем восстановления V, затрачиваемым на обнаружение, поиск причины и устранение последствий отказа, ч. Для обеспечения высокого коэффициента готовности при расчете надежности ВОСП удобно в качестве комплексного показателя надежности выбрать коэффициент простоя (К_п), определяющий вероятность того, что система окажется в неработоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов. Коэффициент простоя ВОСП однозначно связан с коэффициентом готовности: К_п = 1 — К_г и характеризует безотказность (через Л) и ремонтопригодность (через V).

Примечание: для оборудования линейных трактов на МСП, ВЗПС и СМП время восстановления необслуживаемого регенерационного пункта (НРП), обслуживаемого регенерационного пункта и оконечного пункта (ОРП, ОкП) и ОК должны быть соответственно меньше:

Vнрп < 2.5 ч (в том числе время подъезда к месту аварии — 2 ч);

Vорп < 0,5 ч:

Vок < 10 ч (в том числе время подъезда 3,5ч) По данным статистики повреждений коаксиальных кабелей на магистральной первичной сети связи среднее число (плотность) отказов ОК из-за внешних повреждений на 100 км кабеля в год М = 0,34.

Тогда интенсивность отказов ОК за 1 ч на длине трассы ВОЛС L определяется как:

Л_OK=MxL/8760x100,

Для нашей линии: Л_OK=0,34*11/8760*100=4,269*10^-6

При существующей на эксплуатации стратегии восстановления, начинающегося с момента обнаружения отказа (аварии), коэффициент простоя (неготовности) определяется по широко известной формуле:

Кп_а = Л*V (1 + Л*V) = V/(To+V), (3.2)

Для нашей линии:

Кп_а = Л_OK Vок (1 + Л_OK Vок)=4,269*10^-5

а коэффициент готовности:

K_г=1—K_n=To/(To+V), (3.3)

K_г=1—K_n=1−4,269*10^-5=0,999

где: То — среднее время между отказами (или среднее время наработки на отказ) можно определить с помощью уравнения

Т₀=К_г*V/1- К_г

Т₀=9.99*10³ ч

V — время восстановления, ч;

Данная линия является достаточно надежной, потому что среднее время отказов составляет около 10 000 часов. Это является одним из преимуществ ВОЛС перед другими линиями связи.

4. СМЕТА НА ПРОКЛАДКУ И МОНТАЖ ВОЛС. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРОЕКТА

Выше в п. 2.6 была проведена оценка стоимости затрат на прокладку и монтаж ВОК с учетом стоимости кабеля. Для полного расчета экономических затрат следует учесть: цены на ПОМ и ПРОМ; кол-во муфт используемых при прокладке; возможные работы по сварке оптического волокна; стоимость вспомогательного оборудования и инструментов; стоимость измерительных и тестирующих устройств.

Табл. 4.1. Смета на прокладку и монтаж ВОК

Цены приведены на 23.10.2001. Более новый прайс-лист можно посмотреть на http://www.optik.ru — региональное представительство «ТКС» — «ТКС-УРАЛ» .

Табл. 4.2. Обслуживание ВОЛС

Следует отметить, что вышеприведенный расчет является грубым. Для более точной оценки затрат нужно тщательно проанализировать рынок ВОК и услуг по прокладке и монтажу кабелей.

Срок окупаемости проекта (примерный расчет):

Для расчета срока окупаемости проекта следует учесть стоимость услуг связи в данном регионе (телефонная связь, передача данных и кабельное телевидение). Пусть все ПД каналы распределены, а для кабельного телевидения количество пользователей составляет 20 000 на каждый канал в Северске и 20 000 на каждый канал в Томске. Далее рассчитаем ежемесячную прибыль от услуг связи, передачи данных и кабельного телевидения.

Стоимость 1-й минуты разговора по телефону между городами: 2 руб/мин.

Среднее время разговора одного пользователя: 10 мин.

Стоимость 1-го Мегабайта информации, скаченного по 1-му ПД каналу: 3 руб.

Стоимость пользования 1 ТВ каналом в месяц на одного пользователя: 50 руб/месс Табл. 4.3. Чистая прибыль от ВОЛС в месяц

Как видно из Табл. 4.3 прибыль в месяц в 2 раза (!) превышает затраты на прокладку и монтаж ВОК. Но не так все просто, вместе с такой огромной прибылью всплывают и издержки, появляющиеся в процессе обслуживания линии.

Табл. 4.6. Издержки в месяц