Проектирование и расчет волоконно-оптической линии связи на участке Тараз–Алматы

Введение

Современные первичные сети должны обеспечивать передачу и переключение потоков информации, ввод и выделение этих потоков в произвольных пунктах, глубокий контроль качества и тарификацию в соответствии с действительным временем пользования связью и её качеством. Перечисленные выше требования можно выполнить при синхронной системе группообразования. В 1998 году МККТТ принял технологию СЦИ, разработанную с учётом мирового опыта создания цифровых сетей. Аппаратура СЦИ является программно управляемой и интегрирует в себе средства преобразования, передачи, переключения, контроля управления.

В соответствии с этим, в настоящее время в Республике Казахстан активно ведутся работы по строительству национальной сети на основе технологии СЦИ с использованием волоконно-оптических кабелей. Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной средой передачи информации, оптический световод позволяет передавать большие потоки информации на значительные расстояния.

Тема дипломной работы актуальна, так как сегодня волоконная оптика находит применение практически во всех задачах, связанных с передачей информации. Если на уровне настольного ПК волоконно-оптический интерфейс только начинает единоборство с проводным, то при построении магистральных сетей давно стало фактом безусловное господство оптического волокна. Коммерческие аспекты оптического волокна также говорят в его пользу — волокно изготавливается из кварца, то есть на основе песка, запасы которого очень велики.

Целью данного дипломного проекта является проектирование линии связи на основе волоконно-оптических кабелей. В связи с чем особое внимание уделено строительству волоконно-оптической линии связи. Проект состоит из пяти глав. В первой главе рассмотрены краткие характеристики и принцип организации связи на основе оптических систем передачи с использованием технологии СЦИ. Трасса прохождения проектируемой линии также описывается в этой главе. Даны сведения о наличии рек шоссейных дорог.

Глава 2 посвящена расчёту необходимого числа каналов для двух областей, а также выбору системы передачи. Также приводится предполагаемая схема организации связи. Приведены принципы выбора типа оптического кабеля, который предполагается использовать на магистрали.

В третьей главе рассматривается методы проектирования и строительства волоконно-оптической линии связи. В этой главе приводится расчет длин участков регенерации ирассмотрены современные методы проведения геодезических работ, а также особенности прокладки оптического кабеля. Также рассмотрены способы организации речных переходов, переходы через железные дороги и автодороги на проектируемой магистрали. В данную главу включены подразделы посвящённые маркировке трассы, метрологическому контролю, расчёту оптической длины линии связи и расположения муфт.

Расчёту основных параметров электропитающей установки посвящена глава 4, также приведён расчёт токораспедилительной сети на минимум проводникового материала.

В главе 5 рассматриваются меры повышения надёжности системы связи и расчёт основных показателей надёжности.

Создание высоконадежных оптических кабельных систем связи стало возможным в результате разработки в начале 70-х годов оптических волвкон с малыми потерями сигнала. Такие волокна в значительной мере стимулировали разработку специализированного оборудования и элементов линейного тракта оптических кабельных систем передачи (генераторов, фотоприемников, разъемных и неразъемных соединителей, ответвителей и других элементов).

Оптические волокна послужили основой разработки и создания оптических систем связи высокой эффективности, обеспечивающих возможность передачи большого потока информации на любые расстояния. Технико-экономическое сравнение показало, что в перспективе при массовом производстве оптических кабелей они будут конкурентоспособными с электрическими при потребностях в больших пучках связи (свыше 500…1000 цифровых каналов).

1. Разработка аппаратуры синхронной цифровой иерархии

1.1 Обзор волоконно-оптических систем При разработке аппаратуры СЦИ была предусмотрена обязательная совместимость не только скоростей, но также стыков, что отсутствует в аппаратуре плезеохронной цифровой иерархии. Для этого все разработчики аппаратуры СЦИ руководствуются соответствующими рекомендациями ITU-T, в частности для СЦИ такими рекомендациями являются G.957 и G.691, которые регламентируют оптические и электрические интерфейсы систем СЦИ всех уровней. В частности, к стандартным оптическим интерфейсам, определённым рекомендациями G.95, относятся следующие параметры: длина волны оптического излучения, диапозон длин волн, ширина спектральной линии излучения, уровень оптической мощности на передаче, уровень чувствительности приёмного устройства при заданном коэффициенте ошибки для данной скорости передачи. Выбор значений этих параметров определяется скоростью передачи информации и максимальной длинной линии. Аппаратура СЦИ всех уровней иерархии предназначена для работы на оптическое волокно, параметры которого также регламентированы рекомендациями G.652, G.653, G.655.

В тех случаях, когда расстояние между пунктами, которые необходимо соединить при помощи ВОЛС с аппаратурой СЦИ, превышает ту длину, которая позволяет перекрыть энергетический потенциал системы, либо на передающей стороне, либо на обоих концах линии применяется соответственно оптический усилитель мощности на передаче и на приёме. Выбор этих вариантов регламентируется рекомендацией G.691.

Структурно аппаратура СЦИ состоит из следующих блоков:

— оборудование внешнего доступа;

— синхронный линейный регенератор;

— синхронные разветвительные мультиплексоры;

Таким образом, системы СЦИ любого производителя строятся по обобщённой схеме, представленной на рисунке-1.

Кроме упомянутых выше основных узлов и блоков в состав аппаратуры СЦИ входят:

— система контроля и управления;

— блоки аварийной и предварительной сигнализации;

— блоки питания и защиты от перегрузок и внешних воздействий, в том числе электромагнитных полей.

Система контроля и управления представляет собой совокупность датчиков различных параметров и цепей, соединяющих точки контроля и управления с персональным компьютером. На дисплее компьютера отображаются значения всех необходимых параметров, как оптических, так и электрических. Эта система позволяет осуществлять диагностирование состояния всего участка сети связи, в котором задействована данная аппаратура СЦИ. Предусмотрена также возможность управления и конфигурирования участков сети.

В случаях повреждения сети, например обрыва оптического кабеля, в аппаратуре СЦИ всех уровней для предоставления возможности проведения восстановительных работ и обеспечения безопасности персонала предусмотрено устройство автоматического отключения лазера. Это устройство периодически включает лазер со следующим временным интервалом: 70.90 секунд лазер выключен, от 1 до 5с — включён. При восстановлении линии система автоматически восстанавливает свои функции.

Рисунок 1 Общая структурная схема системы ВОСП с СЦИ.

М-Р — мультиплексор;

ОУ — оптический усилитель;

СИ — соединительный интерфейс;

ППП — порт первичных потоков;

ЦБС — центральный блок синхронизации;

БУС — блок управления и связи;

СС — служебная связь;

КПД — канал передачи данных;

БОУ — блок обработки указателей;

Основным Функциональным модулем сетей СЦИ является мультиплексор. Термин Мультиплексор используется как собственно для мультиплексоров, служащих для сборки (мультиплексирования) высокоскоростного потока из низкоскоростных, так и для разборки (демультиплексирования) высокоскоростного потока с целью выделения низкоскоростных потоков Мультиплексоры СЦИ в отличие от обычных мультиплексоров, используемых, например, в сетях ПЦИ, выполняют как функции собственно мультиплексора, так и функции устройств терминального доступа, позволяя подключить низкоскоростные каналы ПЦИ непосредственно к своим входным портам. Они являются более универсальными и гибкими устройствами, кроме задачи мультиплексирования выполняют ещё и задачи коммутации, концентрации и регенерации. Это оказывается возможным в силу модульной конструкции СЦИ мультиплексоров — SMUX, при которой выполняемые функции определяются лишь возможностями системы управления и составом модулей, включённых в спецификацию мультиплексора. Принято, однако, выделять два основных типа мультиплексора: терминальный мультиплексор и мультиплексор ввода — вывода.

Терминальный мультиплексор (ТМ) является мультиплексором и оконечным устройством СЦИ сети с каналами доступа, соответствующими трибами ПЦИ и СЦИ. ТМ может или вводить каналы, то есть коммутировать их со входа трибного интерфейса на линейный вход, или выводить каналы, то есть коммутировать их с линейного входа на выход трибного интерфейса.

Как правило, эта коммутация ограничена трибами 1,5 и 2Мбит/с. для мультиплексора максимального на данный момент действующего уровня СЦИ (STM-64), имеющего скорость выходного потока 10 Гбит/с, максимально полный набор каналов доступа может включать ПЦИ трибы 1,5, 2, 6, 34, 45, 140 Мбит/с, и СЦИ трибы 155, 622 и 2500 Мбит/с соответствующие STM — 1, 4, 16.

Другой важной особенностью мультиплексора является наличие двух оптических линейных выходов (каналов приёма/передачи), называемых агрегатными выходами и используемых для создания режима стопроцентного резервирования, или защиты по схеме 1+1 с целью повышения надёжности.

Мультиплексор ввода/вывода (ADM) иметь на входе тот же набор трибов, что и терминальный мультиплексор. Он позволяет вводить и выводить соответствующие им каналы. Дополнительно к возможностям коммутации, обеспечиваемым ТМ, ADM позволяет осуществлять сквозную коммутацию выходных потоков в обоих направлениях, а также осуществлять замыкание канала приёма на канал передачи на обоих сторонах в случае выхода из строя одного из направлений. Наконец он позволяет (в случае аварийного выхода из строя мультиплексора) пропускать основной оптический поток мимо него в обходном режиме. Всё это даёт возможность использования ADM в топологиях типа кольцо.

Таблица 1 Основные параметры оптических интерфейсов

1.2 Основные особенности трассы ВОЛС В настоящее время в соответствии с генеральным планом развития телекоммуникаций Республики Казахстан ведутся работы по строительству новой информационной супермагистрали (НИСМ), протяжённость которой составит около 10 000 км и обеспечит цифровой связью все областные центры республики. Строительство НИСМ «Казахтелеком» планирует завершить к 2015 году.

Рассматриваемая в данном дипломном проекте магистраль на участке Тараз-Алматы является лишь дополнением к НИСМ, и будет обеспечивать телекоммуникационными услугами два областных центра, а также прилегающие к трассе ВОЛС районные центры.

Между городами Тараз и Алматы существует крупная автомобильная дорога республиканского значения, проходящая через множество райцентров. Как правило, одним из важнейших критериев выбора трассы ВОЛС является прохождение её вдоль автомобильной дорогой. Этим обеспечиваются подъездные пути техническому персоналу к местам прокладки кабеля и НРП, а в случае повреждения оперативное устранение неисправности на линии. Наличие населённых пунктов на пути прохождения трассы даёт возможность размещения в необслуживаемых регенерационных пунктов (ОРП) и использование уже существующих сооружений районных узлов телекоммуникаций (РУТ), что значительно уменьшает объём строительных работ и способствует снижению затрат на строительство магистрали в целом.

Обращаясь к карте местности (рисунок.2) видим, что очевиден единственный целесообразный вариант трассы. Это вариант прокладки кабеля вдоль автодороги, соединяющей г. Тараз, с. Михайловка, с. Луговое, с. Мерке, г. Чу и г. Алматы. Общая длина магистрали составляет 553 км. Трасса магистрали прокладывается на расстоянии 30 — 60 м. (в зависимости от конкретных условий местности) от оси автомобильной дороги.

Речные переходы организуются на реке Меркенка и Талас. В местах организаций перехода ширина реки Меркенка достигает до 50 м., а в половодье порядка 80 м., глубина — до2м. Ширина реки Талас — 40 м., глубина — до 1,7 м. Для проезда автотранспорта через эти реки построены мосты, что также имеет немаловажное значение, при прокладке кабеля через реку, так как резервные створы можно проложить через мост, которые имеют равнинный рельеф, это позволяет прокладывать кабель в основном механизированным способом. Более подробно организация речных переходов, железнодорожных переходов, а также механизированные способы прокладки кабеля рассмотрены в соответствующей главе настоящего дипломного проекта.

Рисунок 2 Карта местности

2. Расчёт необходимого числа каналов и выбор системы передачи Создание высоконадежных оптических кабельных систем связи стало возможным в результате разработки в начале 70-х годов оптических волвкон с малыми потерями сигнала. Такие волокна в значительной мере стимулировали разработку специализированного оборудования и элементов линейного тракта оптических кабельных систем передачи (генераторов, фотоприемников, разъемных и неразъемных соединителей, ответвителей и других элементов).

Оптические волокна послужили основой разработки и создания оптических систем связи высокой эффективности, обеспечивающих возможность передачи большого потока информации на любые расстояния. Технико-экономическое сравнение показало, что в перспективе при массовом производстве оптических кабелей они будут конкурентоспособными с электрическими при потребностях в больших пучках связи (свыше 500…1000 цифровых каналов).

Численность населения в любом областном центре и области в целом может быть определена на основании статистических данных переписи населения. Согласно этим данным численность населения в Жамбылской области на 2011 год составила 410,6 тыс. чел, а в Алматинской области 1946,6 тыс. чел. В расчётах будем учитывать не численность населения областных центров, а областей в целом.

Численность населения с учётом прироста определяется по формуле:

(1)

где Н_Т — количество населения, тыс. человек;

H₀ — население в период проведения переписи, тыс. человек;

Рсреднегодовой прирост населения в данной местности

(принимается равным 2−3%);

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

Год перспективного проектирования принимается на 5−10 лет вперёд. В настоящем проекте год перспективного проектирования принимаем на 10 лет вперёд. В соответствии с этим параметр Т определяем по формуле:

T=10+(T_m-T₀) (2)

где T_m — год составления проекта;

T₀ — год к которому относятся данные H₀;

Среднегодовой прирост населения в Жамбылской и Алматинской областях принимаем равным 3%. Пользуясь формулой (2) определим параметр Т:

T=10+(2013;2011)=12 лет Численность населения в Алматинской области согласно формуле (1) составит:

H_T^C-K=1946,6(1+)¹²=1,78 058 млн. человек;

Численность населения в Жамбылской области согласно формуле (1) составит:

H_T^А=410,6(1+)¹²=0,871 105 млн. человек;

Учитывая то, что телефонные каналы междугородней и международной связи имеют превалирующее значение необходимо сначала определить количество телефонных каналов между заданными областями. Для этого воспользуемся следующей формулой

n_ТФ=LK_Ty; (3)

где L и — постоянные коэффициенты, соответствующие фиксированной доступности к заданным потерям, обычно потери принимаются равными 5%, тогда L=1,3, а =5,6;

K_T — коэффициент тяготения;

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

m_a, m_в — количество абонентов обслуживаемое оконечными АМТС, соответственно в пунктах, А и Б.

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 К_Т, который, как показывают исследования, колеблется в широких пределах, от 0,1−12%. В проекте коэффициент тяготения К_Т принимаем равным 10%, т. е. K_T=0,1.

В перспективе количество абонентов, обслуживаемых оконечными АМТС, определяется в зависимости от численности населения, проживающего в зоне обслуживания. Принимая средний коэффициент оснащённости населения телефонными аппаратами равным 0,7, количество абонентов в зоне АМТС можно определить по формулам:

m_a^A=0.7H_Т^A (4)

m_в^C-K=0.7H_Т^С-К 5)

Подставляя данные в формулы (4) и (5) определим количество абонентов, обслуживаемых оконечными АМТС:

m_a^A=877,50,7=614,25 тыс. чел.

m_в^С-К=1114,70,7=780,29 тыс. чел.

Пользуясь формулой (3) определим количество телефонных каналов:

n_ТФ=1,30,10,05+5,6=+5,6=2240 кан.

По кабельной линии передачи выделяют каналы и для других видов связи: телеграфные данные, радиовещание и.т.д., а так же учитывают транзитные каналы. Так как проектируемая линия связи относится к магистральной сети транзитные потоки будут иметь большую скорость передачи информации. В данном случае число транзитных каналов учитывать не будем, они будут браться в расчёт при выборе системы передачи.

Поскольку число каналов для организации связи различного назначения может быть выражено через число телефонных каналов, т. е. каналов ТЧ, целесообразно общее число каналов между пунктами выразить через каналы ТЧ.

В соответствии с вышесказанным общее число телефонных каналов вычислим по формуле:

n= n_ТФ+ n_ТГ+ n_ПД+ n_ТВ (6)

где n_ТГ — число каналов ТЧ для телеграфной связи;

n_ПД — число каналов ТЧ для передачи данных;

n_ТВ— число каналов ТЧ для теле — и радиовещания;

Обычно общее число каналов рассчитывают по упрощённой формуле:

n=2n_ТФ (7)

n=22 402=4480

Данный расчёт был произведён без учёта количества транзитных каналов. Так если учитывать транзитные потоки, а также перспективу дальнейшего развития сети и кроме того возможность повреждения, при котором может возникнуть необходимость организации обходного пути через данную магистраль, то на проектируемой магистрали требуемая скорость передачи составит 2,5 Гбит/с. В соответствии с этим на проектируемой магистрали предполагается установка синхронного оборудования производства фирмы «Siemens» SMA-16.

Схема организации связи представлена на рисунке 3. Данная схема составлена в соответствии с заданием на дипломный проект. На схеме показаны требуемое количество 2Мбит потоков, которые необходимо выделить в соответствующих пунктах, так же указаны расстояния между населёнными пунктами, где необходимо устанавливать оборудование.

2.1 Выбор типа оптического кабеля В магистральных ВОЛС расходы на приобретение и прокладку оптического кабеля является основной частью стоимости всей системы. Поэтому целесообразно проложить кабель с возможно низким затуханием и широкой полосой частот в расчёте на возможность его использования при развитии системы.

Для магистральных сетей представляет интерес кабели с длиной волны 1,55 мкм, позволяющие реализовать регенерационные участки длинной до 170 км. Учитывая то что, максимальное расстояние между населёнными пунктами составляет 125 км, необходимо выбрать кабель с такими параметрами, при которых можно было бы обойтись без дорогостоящих необслуживаемых регенерационных пунктов.

Выбираем кабель производства фирмы «Siemens» следующего типа:

A D F (ZN) 2Y 2?6 E 9/125 0,36 F 3,5+0,22 H 180LG. Дадим расшифровку буквенных и цифровых обозначений:

А — линейный кабель;

D — модуль многоволоконный, заполненный;

F — гидрофобное заполнение;

ZN — неметаллический усилительный элемент;

2Y — полиэтиленовая оболочка;

2 — количество модулей;

6 — количество волокон в модуле;

E — одномодовое волокно;

9 — диаметр сердечника, мкм;

125 -диаметр оболочки, мкм;

0,36 — коэффициент затухания на длине волны 1,55 мкм, дБ/км;

F — длина волны 1,3 мкм;

3,5 — удельный коэффициент хроматической дисперсии, пс/нм*км, при длине волны 1,3 мкм;

0,22 — коэффициент затухания, дБ/ км, на длине волны 1,55 мкм;

H — длина волны 1,55 мкм;

18 — удельная хроматическая дисперсия, на длине волны 1,55 мкм;

LG — повивная скрутка;

Строительную длину кабеля выбираем равной 6 км, для обеспечения минимального затухания на линии.

Рисунок 4 Поперечный разрез используемого кабеля.

1 — центральный стеклопластиковый силовой элемент;

2 — пространство, заполненное компаундом (гель);

3 — модуль, заполненный шестью одномодовыми волокнами;

4 — диэлектрические силовые армирующие нити;

5 — внешняя полиэтиленовая оболочка.

Цветовые коды модулей стекловолокна:

Волокно № 1 — голубой Волокно № 7 — красный Волокно № 2 — оранжевый Волокно № 8 — чёрный Волокно № 3 — зелёный Волокно № 9 — жёлтый Волокно № 4 — коричневый Волокно № 10 — фиолетовый Волокно № 5 — синеватосерый Волокно № 11 — розовый Волокно № 6 — белый Волокно № 12 — цвет морской волны Погрешность концентрического пятна модового поля, мкм…1

Некруглость покрытия, %…2

Эффективный групповой коэффициент преломления (для1310нм)…1,4675

Эффективный групповой коэффициент преломления (для 1550нм)…1,4681

Числовая апертура…13

Критическая длина волны, нм…1250

Конструктивные характеристики кабеля:

Вес, кг/км…101

Минимальный радиус изгиба, мм — во время монтажа…300

в установленном виде…200

Прочность на растяжение, Н, — короткий срок…2700

— длительный срок…1300

Напряжение при сжатии/при раздавливающем напряжении, Н/10см…2000

Диапазон рабочей температуры, С…-30.70

Диапазон температуры при монтаже, С…-5.50

2.2 Расчёт длины участка регенерации

При проектировании стремятся получить возможно большую длину регенерационного участка (РУ), что приводит к уменьшению необслуживаемых регенерационных пунктов на ВОКМ и как следствие способствует уменьшению капитальных затрат на строительство и эксплуатации магистрали.

Согласно схеме организации связи представленной на рисунке 3 длину РУ будем рассчитывать на участках: ТаразМихайловка, Михайловка — Луговое, Луговое — Мерке, Мерке — Чу, Чу — Алматы.

Требуемая длина участка регенерации на участке Тараз — Михайловка составляет 125 км. При расчёте длины РУ будем пользоваться данными для планирования взятых из технического описания синхронного оборудования SMA — 16. Эти данные приведены в таблице 1, из этих данных выбираем следующие параметры приёмного и передающего модуля:

Длинна волны в световоде, нм…1510…1560

Скорость передачи, Кбит/с…2 488 320

Сторона передачи:

Тип лазера… DFB

Ширина спектра, нм…0,6

Подавление боковой моды, дБ…30

Уровень передачи, дБ…-1…2

Сторона приёма:

Диод приёма… APD стандарт Уровень приёма, дБ (при BER 10)…-28…-6

Секция регенератора:

Тип …одномодовый Допустимая дисперсия, пс/км…1800

Потери из-за дисперсии, дБ…1

Допустимое затухание секции, дБ…8…26

Длина РУ определяется двумя осноновными параметрами передачи: затуханием и дисперсией информационных сигналов. Произведём расчёт длины РУ по затуханию, для этого определим суммарные потери мощности излучения Р, дБ, в линии связи по формуле:

Р=L+N+N (8)

где Lдлина линии связи, км;

— километрическое затухание кабеля, дБ/км;

Nколичество неразъёмных соединителей;

— потери в неразъёмных соединителях, дБ;

— потери в разъёмных соединителях, дБ;

N — количество разъёмных соединителей.

Рассчитаем количество строительных длин кабеля на РУ q, из соотношения:

q=Ц () (9)

где Lтребуемая длина РУ, км;

lстроительная длина кабеля, км;

Ц — символ озночающий округление в сторону большего числа.

q=Ц ()=21 (10)

Число неразъёмных соединителей определим по формуле:

N= q-1

N=21−1=20

Тогда полные потери на РУ:

Р=0,22 125+0,120+0,52=30,5 Дб Устойчивая работа волоконно-оптической системы связи возможна только при выполнении условия:

Р_Э>Р (11)

где Р_Э— энергетический потенциал системы.

Рассчитаем значение энергетического потенциала системы из выражения:

Р_Э=Р_пер-Р_пр (12)

где Р_пер -уровень передачи, дБ;

Р_пр — уровень приёма, дБ.

Р_Э=-1+28=27 дБ Из выше приведённых расчётов видно, что условие Р_Э>Р не выполняется, следовательно, выбранные параметры ПРОМ и ПОМ не приемлемы. Поэтому необходимо выбрать ПОМ и ПРОМ с такими параметрами, при которых выполнялось бы условие (11).

Вновь обращаясь к таблице 1 из данных для проектирования планирования выбираем:

Длинна волны в световоде, нм…1510…1560

Скорость передачи, Кбит/с…2 488 320

Сторона передачи:

Тип лазера… DFB

Ширина спектра, нм…0,6

Подавление боковой моды, дБ…30

Уровень передачи, дБ…2,5…5

Сторона приёма:

Диод приёма… APD высокочувствительный Уровень приёма, дБ (при BER 10)…-30,5…-9

Секция регенератора:

Тип …одномодовый Потери из-за дисперсии, дБ…2

Допустимое затухание секции, дБ…14…31

Значение энергетического потенциала рассчитывается по формуле (12):

Р_Э=2,5- (-30,5)=33 дБ В этом случае условие (11) выполняется, следовательно, с точки зрения затухания, длина РУ =125 км допустима. Однако при проектировании ВОЛС всегда необходимо предусматривать запас, который учитывает процесс деградации всех компонентов при различных воздействиях во время эксплуатации. Этот запас обычно составляет 24 дБ. Необходимо так же учитывать допуски на температурную зависимость. Из таблицы 1 видно, что существуют потери из-за дисперсии которые так же необходимо учесть.

В соответствии с вышесказанным формула (8) принимает вид:

Р= а L+а N+а N+a_t+a_B+a_q (13)

Где a_t — допуск на температурную зависимость параметров ВОСП, дБ;

a_B — допуск на ухудшение паораметров вовремени Р=0,22 125+0,120+0,52+0,3+3+2=35,8 дБ В этом случае условие (11) так же не выполняется, поэтому, вновь обращаясь к таблице 1 выбираем:

Длинна волны в световоде, нм…1510…1560

Скорость передачи, Кбит/с…2 488 320

Сторона передачи:

Тип лазера… DFB

Ширина спектра, нм…0,1

Подавление боковой моды, дБ…30

Уровень передачи, дБ…10…13

Сторона приёма:

Диод приёма… APD стандартный Уровень приёма, дБ (при BER 10)…-28…-6

Секция регенератора:

Тип …одномодовый Потери из-за дисперсии, дБ…<2

Допустимое затухание секции, дБ…19…36

Пользуясь выражением (12) определяем:

Р_Э=10+28=38дБ Из расчётов видно что условие (11) вполняется, определим запас по мощности P_З, дБ, по формуле:

P_З=Р_Э-Р_К (13)

P_З=38−35,8=2,2дБ Запас по мощности составляет 2,2 дБ, следовательно, делаем вывод, что с точки зрения затухания протяжённость РУ на участке Петропавловск — Келлеровка 125 км., допустима.

Рассчитаем длину РУ на участке Михайловка-Луговое. Так как требуемая длина РУ на этом участке 68 км, существует возможность ослабить требования к параметрам ПОМ и ПРОМ, что будет способствовать удешевлению оборудования. В соответствии с этим выбираем следующие параметры ПОМ и ПРОМ.

Длинна волны в световоде, нм…1510…1560

Скорость передачи, Кбит/с…2 488 320

Сторона передачи:

Тип лазера… DFB

Ширина спектра, нм…0,6

Подавление боковой моды, дБ…30

Уровень передачи, дБ…-1…2

Сторона приёма:

Диод приёма… APD стандарт Уровень приёма, дБ (при BER 10)…-28…-6

Секция регенератора:

Тип …одномодовый Допустимая дисперсия, пс/км…1800

Потери из-за дисперсии, дБ…1

Допустимое затухание секции, дБ…8…26

Рассчитаем энергетический потенциал системы по формуле (12):

Р_Э=-1+28=27дБ

Определим число строительных длин на РУ из выражения (9):

q=Ц () =12

Число неразъёмных соединителей определим из формулы (10):

N_н.с=12−1=11

Полные потери на РУ согласно формуле (13):

P_K=0,2268+0,111+0,52+0,3+3+2=22,9 дБ Условие (11) выполняется, энергетический запас, согласно формуле (13):

P_З=27−22,9=4,1 дБ Рассчитаем длину РУ исходя из дисперсионных характеристик волокна. Импульсы света, последовательность которых определяет информационный поток, в процессе распространения расплываются. При достаточно большом уширении импульсы начинают перекрываться, так что становится невозможным их выделение при приёме.

Дисперсия — уширение импульсов — имеет размерность времени и определяется как квадратичная разность длительностей импульсов на входе и выходе кабеля длины L по формуле:

_вых= (14)

Дисперсия нормируется в расчёте на один километр и измеряется в пс/км. Результирующая дисперсия, пс, определяется из формулы:

²=²_мод+²_хр (15)

где _мод — межмодовая дисперсия;

_хр — хроматическая дисперсия;

Хроматическая дисперсия, в свою очередь состоит из материальной и волноводной, тогда формула (13) приобретает вид:

²=²_мод+²_мат+²_вв (16)

Межмодовая дисперсия возникает вследствии различной скорости распостранения у мод, и имеет место только в многомодовом волокне.

Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления волокна от длины волны и определяется из выражения:

_мат((17)

где М () — удельная материальная дисперсия;

Волноводная дисперсия обусловлена зависимостью коэффициента распостранения моды от длины волны и определяется из выражения:

= (18)

где N () — удельная волноводная дисперсия;

Результирующее значение коэффициента удельной хроматической дисперсии D (), определяется как:

D ()=M ()+N () (19)

Хроматическая дисперсия связана с удельной хроматической дисперсией следующим соотношением:

_хр()= D () (20)

Полоса частот В_х, и дальность передачи L_х — связаны следующим соотношением:

В_х= (21)

В длинных линиях (свыше 10 км), в которых процесс распостранения волны уже установился, действует квадратичный закон изменения ширины спектра сигналов:

В_х= (22)

где значения с индексом х — искомые, а без х — задаваемые;

L_c — длина линии установившегося режима, км;

В — широкополсность ОВ, Гц*км.

Из паспортных данных выбранного нами кабеля известно что коэффициент удельной хроматической дисперсии равен 18 пс/нмкм. Тогда в соответствии с формулой (18) определяем хроматическую дисперсию:

_хр=180,1=1,8 пс/км Определим широкополосность кабеля, В, Гц*км, из выражения:

В= (23)

В==2,410¹¹ Гцкм;

Пользуясь соотношением (20) проверим, ограничивает ли дисперсия световода требуемую длину РУ на участке Петропавлвск-Келлеровка, которая составляет 125 км:

B_x==6,9 ГГц;

Требуемая полоса пропускания кабеля на длине 125 км составляет 2,5Ггц.

Полученное нами значение значительно превышает требуемую полосу пропускания, следовательно, дисперсионные характеристики волокна позволяют организовать РУ протяжённостью 125 км.

Рассчитаем, позволяет ли дисперсия световода организовать РУ протяжённостью 68 км на участке Михайловка-Луговое.

Хроматическая дисперсия согласно формуле (20) на этом участке составляет:

_хр=180,6=10,8 пс/км;

С помощью отношения (22) определяем широкополосность:

В==40,110⁹ Гцкм;

Из формулы (20) определяем полосу пропускания на длине 68 км:

B_x==1.510⁹ Гц;

Требуемая полоса пропускания составляет 2,5 ГГц, полученное значение меньше требуемого, следовательно, протяжённость РУ 68 км не допустима.

Из формулы (20) видно, что дисперсия увеличивается с увеличением ширины спектра излучения источника. Поэтому необходимо выбрать ПОМ с источником излучения, у которого ширина спектра излучения более узкая.

В этом случае параметры ПОМ и ПРОМ совпадают с параметрами ПОМ и ПРОМ на участке Петропавловск-Келеровка, где мы получили значение полосы пропускания 6,9 ГГц на РУ протяжённость 125 км. Поэтому для участка КеллеровкаКокшетау повторных расчётов делать нет необходимости.

Длина участка регенерации ограничивается затуханием и хроматической дисперсией, но при передачи цифрового сигнала большой полосы (более 2,4 Гбит/с) начинает проявляться еще один вид дисперсии, который носит название поляризационной модовой дисперсии .

Поляризационная модовая дисперсия возникает вследствие различной скорости распространения двух взаимно перпендикулярных поляризационных составляющих моды. Коэффициент удельной дисперсии, Т, нормируется в расчете на один километр и имеет размерность (пс /), а поляризационная модовая дисперсия растет с ростом расстояния по закону:

(24)

Для учета вклада в результирующую дисперсию следует добавить слагаемое в правую часть выражения (13).

Поляризационная модовая дисперсия может проявляться исключительно в одномодовом волокне, причем, когда используется передача широкополосного сигнала (более 2,5Гбит/с) с очень узкой спектральной полосой излучения 0,1 нм и меньше.

В одномодовом волокне действительности может распространяться ни одна мода, а две фундаментальные моды — две перпендикулярные поляризации исходного сигнала. В идеальном волокне, в котором отсутствуют не однородности по геометрии, две моды распространялись бы с одной и той же скоростью. Однако на практике волокна имеют неидеальную геометрию, что приводит различной скорости распространения двух поляризационных составляющих мод.

Главное причина возникновения поляризационной дисперсии является нециркулярность (овальность) профиля сердцевины одномодового волокна, возникающая в процессе изготовления или эксплуатация волокна.

Ведущие фирмы — производители обеспечивают выходной параметр поляризационной модовой дисперсии не выше 0,5пс. Однако, следует учитывать, что после инсталляции кабельной системы значении этого параметра возрастает.

Рассчитаем длину участка регенерации с учетом ПМД, тогда результирующая дисперсия:

(25)

Хроматическая дисперсия при длине линии 125 км определяется по формуле:

(26)

пс

Поляризационная модовая дисперсия согласно формуле (24):

пс

Результирующая дисперсия:

пс

Из расчетов видно, что из-за малой величины, ПМД практически не ограничивает требуемую длину РУ.

Проблема поляризационной модовой дисперсии остро встает при обсуждении супермагистралей со скоростью передачи более 10 Гбит/с.

3. Современные методы проектирования и строительства волоконно-оптических линий связи

3.1 Трассировка волоконно-оптической линий связи

Известно, что требования к качеству строительной продукции быстро растут, возрастает и необходимость постоянного повышения общего технического уровня строительных работ, надёжности, долговечности, эстетичности, технологичности строительного производства. Инженерно-геодезические измерения и инженерно-геодезические построения занимают особое место в общей схеме строительных работ. Вопросы точности проведения геодезических работ имеют принципиальное значение, ибо они, в конечном счёте, определяют уровень качества и надёжность объектов строительства.

При оценке надёжности и точности измерений главным является выбор совершенной методики геодезических работ и соответствующих приборов и оборудования, исходя из заданных технологических требований проекта и допусков.

Наиболее важным при строительстве ВОЛС является правильный выбор трассы. Трассировочным работам, прежде всего, предшествует изучение топографических условий и инженерно-геологических изысканий местности, определение протяжённости, направления, геологического строения и состава грунтов района изысканий, в пределах расположения вариантов направления линий и анализ исходных материалов с точки зрения возможности выполнения схематического, а затем более подробного камерального трассирование.

Современные методы трассировки заключается в том, что на практически всех этапах разработки рабочего проекта, топографическая съемка местности, обработка инженерно-геологических материалов и камеральная обработка данных, происходит в цифровом режиме.

Для эффективного принятие проектных и организационных решений по строительству объектов необходимо обладать качественной и объективной информацией о местности. Одним из самых современных методов производство съемочных является спутниковый метод, сутью, которой является определение место положение с высокой точностью по данным спутниковых наблюдений вне зависимости от места, времени суток и погоды.

В настоящее время широко применяются автоматизированные системы проектирования и управления, информационную основу которых составляют цифровые модели местности. Цифровая модель местности содержит метрическую (номера, координаты точек местности), синтаксическую (коды топографических объектов, сведения о порядке и виде соединение точек в контуры), симантическую (технические и кадастровые характеристики объектов), а также служебные информации о местности. Цифровая модель местности может быть представлена графический цифровой карты на магнитных и бумажных носителях, базой данных или сочетаниях, например в составе ГИС-приложения.* В связи с этим всё большую актуальность и популярность приобретают так называемые цифровые съёмки, результатом которых и является цифровая модель местности. При этом очевидно, преимущество имеют технологии, дающие возможность фиксировать непосредственно в поле метрическую и атрибутивную информацию для цифровой модели местности. Новая технология производства цифровых съёмок, основана на использовании спутниковых геодезических систем реального времени и электронного тахеометра в дополнение к ним. В поле спутниковыми методами в реальном масштабе времени (PMB) определяются с точностью 2−3 см плановые и высотные координаты точек снимаемых объектов. При сборе данных спутниковым методом и электронным тахеометром помимо координат точек фиксируются такие их атрибуты, как код снимаемого объекта, его характеристики комментарии. Эта информация записывается в накопителе в цифровом виде и используется для автоматической рисовки топографического плана и составления связанной с ним базы данных.

Рисунок 5 Цифровая модель местности. Развязка дорог.

Перенеся результаты съёмки на компьютер, исполнитель получает цифровой план снятого участка и при необходимости, дополнив или откорректировав его, использует этот план в специализированных программных приложениях.

Полевое спутниковое оборудование для съёмки состоит из комплекта опорной станции и минимум одного подвижного комплекта, поддерживающих режим PMB.

Базовый комплект состоит из спутниковой антенны, приёмника и передающего радиомодема с радиоантенной. Спутниковая антенна, принимающая сигнал от спутников системы NAVSTAR, устанавливается на обычном штативе над точкой с известными координатами. Это может быть геодезический пункт или произвольно расположенная точка, координаты которой определены из высоко точных статических спутниковых наблюдений. Спутниковый приёмник обрабатывает принятый антенной сигнал и генерирует поправки к данным. Передающий радиомодем транслирует эти поправки в эфир на выбранном частотном радиоканале. При передаче поправок на большие расстояния или работе в сложных условиях, радиомодем, работая автономно, может служить ретранслятором радиосигнала.

Аппаратура подвижного комплекта располагается в специальном чемодане или рюкзаке и переносится исполнителем по определённым точкам. Комплект состоит из спутниковой антенны, приёмника, принимающего радиомодема и управляется многофункциональным контроллером накопителем. Спутниковая антенна закрепляется на вехе с круглым уровнем и устанавливается на точке снимаемых объектов. Приёмник вычисляет местоположение точки, используя данные, принятые по радиоканалу с базовой станции. Исполнитель, таким образом, практически немедленно получает координаты точки нахождения вехи и может сохранить их вместе с атрибутивными данными в контроллере.

Спутниковые приёмники GPS, применяемые для РМВ, могут быть одноили двухчастотные. Использование двухчастотных приёмников позволяет получить более качественные результаты. Инициализация съёмки двухчастотным приёмником существенно короче — достаточно считанных минут, необязательно в статичном положении.

С приёмником, использующим технологию шумоподавления можно проходить через заросли небольших деревьев без прерывания приёма сигналов.

Таким образом, с помощью комплекта спутникового оборудования для съёмки в реальном масштабе времени и электронного тахеометра в дополнение к нему быстро и эффективно реализуется полевая часть цифровой технологии производства топографических съёмок различного назначения.

Несомненным преимуществами данной технологии перед традиционными способами производства геодезических работ проектировании являются высокое качество результатов (точность, оперативность, цифровой вид) и сокращение времени и стоимости работ. Особо следует отметить, что все собранные в поле данные (как пространственные, так и атрибутивные) имеют окончательный вид, не на одном из последующих этапов использования не изменяются, что обеспечивает их высокую надёжность и достоверность.

Цифровой вид результатов позволяет использовать их в различных форматах для работы в других специализированных программных приложениях.

ПримечаниеГИС — Геоинформационная система. Под словом ГИС понимают как конкретное приложение для конечного пользователя, так и инструменты для создания таких приложений, и даже целую область информационных технологий. ГИСэто электронная карта города, электронная схема метро, железных и автомобильных дорог и т. д, с базой данных об объектах, изображённых на картах (схемах). ГИС-карта плюс база данных и анализ.

Рисунок 6 Фрагмент готового рабочего проекта

3.2 Прокладка оптического кабеля Различают следующие методы прокладки волоконно-оптического кабеля в грунте:

траншейный или бестраншейный метод при прокладке непосредственно в грунте;

протяжка тяжением при прокладке в предварительно проложенную в грунте пластмассовую гибкую трубу.

Так как используемый нами кабель будет иметь большую строительную длину L=6 км. Традиционные методы прокладки, когда всё тяговое усилие воспринимается начальным участком кабеля, оказываются неприемлемыми, что вызывает необходимость применения новой технологий и специальных технических средств. Необходимость прокладки больших строительных при малом допустимом усилий является принципиальным отличием, требующим нового подхода к технологии прокладки кабеля.

При прокладке следует соблюдать особую осторожность, так как мощное кабелеукладочное оборудование в процессе движения может повредить стекловолокно. Особенно вредно сказываются динамические нагрузки при резкой остановке кабелеукладочной машины, крутых поворотов, нарушение синхронности движения машин колонны и т. д.

Руководством по строительству ВОЛС предусмотрен 100%-ный контроль кабеля на кабельной площадке, это позволяет определить соответствие параметров кабеля его паспортным данным.

При пересечении трассы кабеля с другими подземными сооружениями должны соблюдаться следующие габариты по вертикали: от трамвайных и железнодорожных путей — не менее 1 метра от подошвы рельсов; от шоссейных дорог — не менее 0,8 м ниже дна кювета, от силовых кабелей выше или ниже 0,5 м, от водопровода и канализации — выше на 0,25 м; от нефте и газопровода — выше или ниже на 0,5 м.

В странах Западной Европы применяется технология прокладки волоконно-оптического кабеля в защитной трубе, что позволяет облегчить силовую конструкцию кабеля и уменьшить силу тяжения кабеля. Эта технология позволяет разделить строительные работы на земляные по прокладке трубы и чисто кабельные — протяжка кабеля, монтаж муфт, измерения. Данный метод позволяет до 100% использовать длину кабеля, что уменьшает количество муфт, затухание в кабеле. Прокладка кабеля в защитную трубу создаёт дополнительную механическую защиту кабеля, защиту от грызунов и от влияющих напряжений. Технология прокладки кабеля в трубе позволяет уменьшить эксплуатационные расходы на весь период эксплуатации кабеля. Замена кабеля позволяет свести к минимуму земляные работы. Прокладка трубы при механизированном способе не требует тщательного контроля за силой тяжения. На пересечениях с автомобильными, железнодорожными путями, водными преградами используется та же самая защитная труба, что позволяет не резать кабель на пересечения.

Рассмотрим подробную особенность прокладки трубы в готовую траншею, а также механизированный способ прокладки.

Прокладка трубы в готовую траншею. Основным требованием к траншее является отсутствие перепадов по глубине, для этого необходимо делать планировку дна траншеи. Одним из главных требований к прокладке трубы является, как можно большая прямолинейность по горизонтали и вертикали, это условие обеспечивает меньшее трение кабеля и большую длину затяжки.

Размотка трубы, как правило, должна производиться с барабана, установленного на кабельной тележке или домкратах. При размотке с барабана строительную длину трубы в начале укладывают на бровку траншеи, а потом постепенно опускают на дно траншеи.

При укладке трубы в траншею необходимо следить за тем, чтобы она лежала свободно, плотнее прилегала ко дну, а радиусы изгибов на поворотах трассы соответствовали требованиям по изгибу трубы.

В грунтах категории скальный грунт траншея копается на 15 см глубже поверхности. Дно траншеи на глубину 15 см засыпается песком с последующей планировкой. Затем укладывается защитная полиэтиленовая труба, с последующей засыпкой песком на 10−15см. Эта работа предохраняет тубу от повреждения острыми концами скального грунта. Рассмотрим механизированную прокладку трубы.

Прокладка трубы производится с применением тяжёлого кабелеукладчика типа КУ-120.

До начала работы кабелеукладочной колонны трасса в необходимых случаях должна быть спланирована бульдозером (срезка бугров, засыпка выемок, образование плавных спусков при пересечении оврагов и водоёмов) для обеспечения равномерной глубины заложения трубы. Пропорка производится специальными пропорщиками, кожевым кабелеукладчиком или другими пригодными механизмами. В плотных грунтах необходима многократная пропорка на проектную глубину. Перед началом работ необходимо с особой тщательностью проверить: исправность узлов кабелеукладчика, соответствие типа ножа проектной глубине прокладки и радиусу изгиба трубы, отсутствие задиров и острых сварных швов на кассете.

Сцепка тракторов, как правило, осуществляется стальным канатом диаметром 36−40 мм. Расстояние между тракторами должно быть не менее 5 м.

При организации железнодорожного перехода используется метод «прокалывания» с помощью гидравлического пресса. Для этого разрабатывают два котлована рабочий «A» и приёмный «Б «. В рабочий котлован устанавливается гидравлический пресс, который продавливая грунт образует отверстие под железной дорогой. В отверстия проталкивают две асбестоцементные трубы (основная и резервная) диаметром 100 мм, затем в основную трубу протягивают защитную полиэтиленовую трубу.

Переход через автомобильные дороги может осуществлятся открытым способом, т. е. разрабатывается непосредственно сама дорога, с последующим восстановлением раскопанного участка дороги, если на это мероприятие даётся специальное разрешение властей. В противном случае переход осуществляется также как и при организаций железнодорожного перехода методом прокалывания. Профиль перехода показан на рис

При организации речного перехода также будем использовать защитную полиэтиленовую трубу. Прокладка через водные преграды производится с учётом Руководства по строительству линейных сооружений магистральных и зоновых кабельных линий связи.

Особенностью прокладки трубы в отличии от кабеля является то, что существует необходимость создания балласта, доля того чтобы труба легла на дно следа ножа кабелеукладчика. Для этого перед началом работ на барабан наматывается труба с подвешенным грузом длинной больше чем поверхность водной глади препятствия.

Длина определяется с учётом состояния берегов (срезка берегов, заболоченность и.т.д.). В качестве груза используются подручные материалы: трос, бросовый кабель и др. На один погонный метр трубы должно приходится 1−2кг балласта. Наиболее часто используют в качестве груза тросс диаметром 10 мм.

Полиэтиленовую трубу прокладывают на глубине 2 м от неподвижных грунтов. Работы по осуществлению перехода ведутся в период, когда уровень воды в реке минимальный. При этом организуют отвод воды на одну половину реки путём сооружения насыпей с помощью бульдозеров вдоль реки. После окончания работ на одной половине, переводят поток воды на другую половину реки.

Река Меркенка имеет небольшую ширину до 50 м. Поэтому такой способ организации перехода является наиболее целесообразным. В случае, когда трасса пересекает широкие реки, (таких на проектируемой магистрали не существует) кабель опускают непосредственно на дно реки.

При организации переходов через водные преграды кабель в обязательном порядке должен быть зарезирвирован. На месте организации перехода на проектируемой магистрали существует мост, обеспечивающий проезд автотранспорта через реку. Резервный створ целесообразно будет организовать через этот мост в этом случае также будем применять защитную полиэтиленовую трубу, которая прикрепляется к мосту с помощью специальных скоб. Рассмотрим организацию перехода через препятствие с использованием машины горизонтальнонаправленного бурения.

Наиболее трудоёмким при проведении работ по прокладке полиэтиленовой трубы считается прохождение рек, автомобильных и железных дорог. Особенно это касается организации речных переходов. Так как прокладка трубы ведётся открытым способом, это нарушает гидрологические и биологические процессы при прохождении рек.