Проектирование междугородной магистрали между г. Новгород — Псков с использованием оптического кабеля

1. Исходные данные к расчету числа каналов и параметров оптического кабеля

Таблица 1 — Вариант задания

2. Выбор и обоснование трассы магистрали

Согласно варианту задания оконечными пунктами трассы магистрали являются города Новгород и Псков.

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

Для соблюдения указанных требований, трасса должна иметь наикратчайшее расстояние между заданными пунктами и наименьшее количество препятствий, усложняющих и удорожающих строительство. За пределами населенных пунктов трассу обычно выбирают в полосе отвода шоссейных дорог или вдоль профилированных проселочных дорог. Допускается также строительство трассы магистрали вдоль железных дорог.

При рассмотрении возможных вариантов трасс прокладки кабеля можно выделить три основных варианта:

Вдоль трассы автомагистрали по маршруту «Новгород — Шимск — Николаево — Псков»; - общая протяженность 212 км.

Вдоль трассы автомагистрали на участке «Новгород — Шимск — Бобовичи, далее вдоль дорог местного и районного значения по маршруту Боровичи — Псков» — общая протяжённость 203 км. Выбор и обоснование трассы магистрали.

Вдоль трассы автомагистрали по маршруту «Новгород — Луга — Николаево — Псков» — общая протяженность 231 км.

Таблица1. Характеристика вариантов трассы

При рассмотрении предлагаемых вариантов очевидны преимущества второго варианта. Прокладка кабеля по третьему варианту, несмотря на некоторое уменьшение длины трассы, требует выполнение мероприятий по защите трассы от внешнего влияния контактных сетей железных дорог. Второй вариант по всем параметрам значительно менее эффективен, чем первый и третий.

Таким образом, выбираем трассу кабельной магистрали по второму варианту. В приложении 1 приведена выкопировка из карты с указанием всех трех вариантов.

3. Определение числа каналов на магистральной линии

Исходные данные для курсового проекта:

1. Трасса линии связи: Новгородская область 695 355 жит.

Псковская область 760 810 жит.

Определение числа каналов на магистрали.

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

Количество населения в заданном пункте и его подчиненных окрестностях с учетом среднего прироста населения определяется по формуле:

Ht=Ho (1+p/100), чел.,

где, Но — народонаселение в период проведения переписи, чел.,

р — среднегодовой прирост населения в данной местности, % (принимается по данным переписи 2−3%),

t — период, определяемый как разность между назначенным годом перспективного проектирования и годом проведемния переписи населения. Год перспективного проектирования принимается на 5−10 лет вперед по сравнению с текущем временем.

В курсовом проекте принимаем 5 лет вперед. Следовательно,

t=5+(tm — to),

где tm — год составления проекта, to — год, к которому относится данные Но.

t = 5 + (2005;2002) = 8

Hta = 695 355.чел. — количество населения в г. Новгород и его подчиненных окрестностях с учетом среднего прироста населения.

Нtb = 760 810.чел. — количество населения в г. Псков и его подчиненных окрестностях.

Степень заинтересованности зависит от коэффициента тяготения

f1 = 5%.

Определим количество телефонных каналов между заданными населенными пунктами, используя приближенную формулу:

mamb

ntp1f1y — + 1,

ma + mb

где 1 и 1 — постоянные коэффициенты, соответствующие фиксированной доступности и заданным потерям, обычно потери задают в 5%, тогда 1 = 1,3; 1 = 5,6.

f1 — коэффициент тяготения, f1 = 0,05 (5%),

у — удельная нагрузка, т. е. средняя нагрузка, создаваемая одним абонентом, у = 0,05 Эрл, ma и mb — количество абонентов, обслуживаемых оконечными станциями АМТС соответственно в пунктах, А и В.

ma = 0,38 Нta = 334 243

mb = 0,38 Htb = 366 233

334 243 * 366 233

ntp 1,3*0,05*0,05 * - + 5,6 574

334 243 + 366 233

Таким образом, можно рассчитать число для телефонной связи между заданными оконечными пунктами, но по кабельной магистрали организуют каналы и других видов связи, а также должны проходить и транзитные каналы. Общее число каналов между двумя междугородними станциями заданных пунктов

nаб=nтф+nтг+nпв+nпд+nпг+nтр,

nтф — число двухсторонних каналов для телефонной связи,

nтг — то же для телеграфной связи,

nпв — то же для передачи проводного вещания,

nпд — то же для передачи данных,

nпг — то же для передачи газет,

nтк — транзитные каналы.

Поскольку число каналов для организации связи различного назначения может быть выражено через число телефонных каналов, т. е. каналов ТЧ.

Для курсового проекта примем:

n_тфn_тг+n_пв+n_пд+n_пг+n_тр,

Тогда общее число каналов рассчитывают по упрощенной формуле

n_аб2n_тф,

где n_тф — число двухсторонних телефонных каналов определяют по

n тф = ₁₁y[(m _a*m _б) (m _a+m _б)]+₁, ntp 574

n_{аб =} 2*574 = 1148 + 300 аренда + 40Internet = 1488

Оптический интерфейс STM-1

Примечания:

NA указывает, что считается, что система ограничивается ослаблением, поэтому не задаются величины максимальной дисперсии.

NA указывает, что не считается, что система ограничивается отражениями, поэтому не задаются величины максимальной отражающей способности.

* Предполагаемые условия потерь в кабеле: Запас для системы 3,0 дБ. Потери FDP 1,0 дБ.

Использованные значения типичных потерь в кабеле: 0,5 дБ/км при 1,310 нм, 0,3 дБ/км при 1,550 нм.

Требования к электропитанию

Требования к параметрам окружающей среды

4. Расчет параметров оптического волокна

Расчет числовой апертуры:

Зная значения показателей преломления сердцевины и оболочки ОВ найдем числовую апертуру:

(4.1)

где n₁ и n₂ — показатели преломления сердцевины и оболочки соответственно.

Отсюда найдем значение апертурного угла:

(4.2)

Значение нормированной частоты рассчитывается по формуле:

(4.3)

где: — длина волны, 1,55 мкм.; a — радиус сердцевины ОВ;

Радиус сердцевины нам не дан, но его можно найти из формулы:

n₂ = n₁*; d_c = = =42*10^-6, м отсюда, а = d_c/2 = 42*10^-6 / 2 = 21*10^-6м

Определим число мод:

N= н²/4= 4,63² / 4 = 5,36 — для градиентного ОВ

N= н²/2= 4,63² / 2 = 10,72 — для ступенчатого ОВ Определим критическую частоту ОВ:

f кр= с / ,=3*10⁸ / 1,55*10^-6 =1,9 354 838 *10¹⁴ Гц; (4.4)

где: с — скорость света, 3*10⁸ м/с;

— длина волны, 1,55*10^-6 м.

Определим критическую длину волны ОВ:

кр = р· d·NA / 2.405=3,14*42*10^-6*0,54 397 / 2,405= 2,984*10^-6 м; (4.5)

где: d — диаметр сердцевины ОВ, 42*10^-6м

NA — числовая апертура ОВ. 0,54 397

Расчет затухания

Собственное затухание ОВ зависит от, n_1, n₂, и рассчитывается по формулам:

_с = _n+_p+_np=1,3*10+0,1+0=0,100 013 дБ/км. (4.6)

где _n — затухание поглощения, зависит от чистоты материала и обуславливается потерями на диэлектрическую поляризацию.

= 4,34 * 3,14 * 1,48 * 10 / 1,55* = 1,3*10 дБ/км. (4.7)

tg = 10^-11 10^-12

_р — затухание рассеивания, обусловлено неоднородностями материала и тепловыми флуктуациями показателя преломления;

дБ/км; (4.8)

где: K_р — коэффициент рассеяния (0,6−1 мкм⁴дБ/км);

_пр — затухание примеси, возникает за счет наличия в кварце ионов различных металлов и гидроксильных групп. В окне прозрачности _пр=0, тогда _с=_п+_р дБ/км.

кабельное затухание _к — обусловлено условиями прокладки и эксплуатации оптических кабелей.

кабельное затухание рассчитывается как сумма 7 составляющих: _к=_i, i=17;

где: ₁ — затухание вследствие термомеханических воздействий на волокно в процессе изготовления кабеля;

₂ — затухание вследствие температурной зависимости коэффициента преломления ОВ;

₃ — затухание на микроизгибах ОВ;

₄ — затухание вследствие нарушения прямолинейности ОВ;

₅ — затухание вследствие кручения ОВ вокруг оси;

₆ — затухание из-за неравномерности покрытия ОВ;

₇ — затухание вследствие потерь в защитной оболочке.

В курсовом проекте _к принимаем в соответствии с таблицей 5.1 МУ =0,28 дБ,/км Расчетное суммарное затухание:

=_с+_к =0,100 013+0,25=0,350 013 дБ/км (4.9)

Расчет дисперсии

Дисперсия — рассеивание во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала. Полная дисперсия в многомодовых ОВ рассчитывается как сумма модовой и хроматической дисперсии:

/км

Хроматическая дисперсия состоит из материальной, волноводной и профильной дисперсии:

Материальная дисперсия обусловлена тем, что показатель преломления сердцевины изменяется с длиной волны.

_мат=М ()=3* - 18= -54 пс/км;

где: М () — удельная дисперсия материала,(табл. 4.1);

— ширина спектра источника излучения, нм (для выбранной СП =3 нм).

=13 нм для ППЛ; =2040 нм для СИД.

волноводная дисперсия обусловлена процессами внутри моды и характеризуется зависимостью коэффициента распространения моды от длины волны:

_вол=В ()=3*12=36 пс/км; (4.12)

где: В () — волноводная дисперсия,

профильная дисперсия проявляется в реальных ОК и обусловлена отклонением продольных и поперечных геометрических размеров и форм реального ОВ от номинала.

_пр=П ()=3*5,5=16,5 пс/км; (4.13)

где П () — удельная профильная дисперсия

для определения М (), В (), П () воспользуемся таблицей 4.1

Результирующая хроматическая дисперсия:

=3*10с/км. (4.14)

В одномодовых ОВ имеет место только хроматическая дисперсия, обусловленная некогерентностью источника излучения.

В многомодовых волокнах _мод>>_хр.

Модовую дисперсию для градиентного ОВ можно найти по формуле:

пс/км; (4.15)

где: NA — числовая апертура ОВ;

n₁ — показатель преломления сердцевины ОВ;

с — скорость света, км/с.

5. Выбор конструкции оптического кабеля

При разработке конструкции кабеля следует учесть ряд требований:

· Кабель должен быть надежно защищен от внешних механических воздействий;

· При изгибе кабеля или при его растяжении в процессе прокладки оптические волокна должны оставаться неповрежденными по всему сечению кабеля;

Типы, параметры и область применения оптических кабелей связи

Кабель оптический с бронёй из круглых стальных проволок для подземной прокладки типа ОКЛК-01

Применяется для прокладки в трубах, в шахтах и тоннелях, блоках и коллекторах кабальной канализации, в грунтах всех категорий, на мостах, через болота и водные переходы.

Сертификат соответствия Госкомсвязи РФ №ОС/1-КБ-96.

Особенности

* компактный дизайн;

* стойкость к повышенным радиальным и продольным нагрузкам;

оптимальная защита от механического повреждения;

защита от повреждений грызунами;

высокая молниестойкость;

стабильная эксплуатация в грунтах повышенной сложности;

диапазон рабочей температуры: -40.

Основные характеристики

6. Расчет длины участка регенерации ВОЛП

При проектировании высокоскоростных ВОЛП должны рассчитываться отдельно длина участка регенерации по затуханию (L) и длина участка регенерации по широкополосности (L_в), так как причины, ограничивающие предельные значения L и L_в независимы.

В общем случае необходимо рассчитывать две величины длины участка регенерации по затуханию: L _макс — максимальная проектная длина участка регенерации;

L _мин — минимальная проектная длина участка регенерации.

Для оценки величин длин участка регенерации могут быть использованы следующие выражения:

(6.1)

(6.2)

(6.3)

где:

А_макс =34дБ; А_мин10дБ; - максимальное и минимальное значения перекрываемого затухания аппаратуры ВОЛП, обеспечивающее к концу срока службы значение коэффициента ошибок не более 10^-10.

_ок дБ/км — километрическое затухание в оптических волокнах кабеля — 0,22 дБ/км

_нс дБ/км — среднее значение затухания мощности оптического излучения на стыке между строительными длинами кабеля на участке 0,03 дБ/км.

L_стр — среднее значение строительной длины на участке регенерации -6 км;

_рс дБ/км — затухание мощности оптического излучения разъемного оптического соединителя 0,4 дБ/км;

n — число разъемных оптических соединителей на участке регенерации 2 шт.;

— суммарная дисперсия одномодового ОВ;

(нм) — ширина спектра оптического излучения — 1 нм;

В (МГц) — широкополосность цифровых сигналов, передаваемых по оптическому тракту, для STM-1 — 155,520МГц;

М (дБ) — системный запас ВОЛП по кабелю на участке регенерации -2дБ.

Системный запас М учитывает изменение состава оптического кабеля за счет появления дополнительных (ремонтных) вставок, сварных соединений, а также изменение характеристик оптического кабеля, вызванных воздействием окружающей среды и ухудшением качества оптических соединителей в течение срока службы, и устанавливается при проектировании ВОЛП исходя из ее назначения и условий эксплуатации оператором связи, в частности, исходя из статистики повреждения (обрывов) кабеля в зоне действия оператора. Рекомендуемый диапазон устанавливаемых значений системного запаса от 2дБ (наиболее благоприятные условия эксплуатации).

Максимальное значение перекрываемого затухания (А_макс) определяется как разность между уровнем мощности оптического излучения на передаче и уровнем чувствительности приемника для ВОЛП на базе ЦСП ПЦИ.

А_макс = p_пер.max — p_пр.min = 0+34=34 дБ; (6.4)

где p_пер.max = (0дБ), максимальная мощность оптического излучения передатчика,

p_{пр.min =} (-34дБ), гарантированная чувствительность приемника.

Минимальное значение перекрываемого затухания (А_мин) определяется как разность между уровнем мощности оптического излучения на передаче и уровнем перегрузки приемника для ВОЛП на базе ЦСП ПЦИ.

А_мин = p_пер.max — p_{перегр.max}=0 — (-10)=10 дБ; (6.5)

где p_пер.max = (0дБ), максимальная мощность оптического излучения передатчика,

p_{перегр.max =} (-10дБ), уровень перегрузки приемника.

В курсовом проекте принять n=2; а_рс и а_нс в соответствии с таблицей 6.1

Параметры оптических волокон и кабелей в выражениях (6.1) (6.2) и (6.3) приведены в технических характеристиках на поставляемый оптический кабель (_ок,)

Критерием окончательного выбора аппаратуры или кабеля является выполнение соотношения: L_В> L _макс (2,5*10>134) с учетом требуемой способности ВОЛП (В) на перспективу развития.

После расчетов привести схему размещения регенераторов с указанием расстояния между ними и способы организации питания НРП.

Размещение НРП производится с учетом полученных допустимых длин усилительных участков для выбранных ЦСП и характеристик кабеля с учетом допустимого количества питаемых необслуживаемых РП между двумя ОРП, которое ограничивает расстояние между ними. ОРП, как правило, располагается в населенных пунктах. Где они могут быть обеспечены электроэнергией, водой, топливом, культурно-бытовыми условиями для обслуживаемого персонала. НРП оборудуются на возвышенных, незатопляемых местах с возможностью организации к ним подъезда и минимальным ущербом для плодородных земель, лесных массивов и так далее.

В результате расчета и уточнения длин РП по секциям между ОРП определяется число НРП на каждой секции и составляется скелетная схема кабельной линии. Счет РП ведется от административного центра большего значения к меньшему.

Для выбранной ЦСП СТМ-1 максимальная длина регенерационного участка равна 134 км. Находим минимальное количество регенерационных пунктов

7. Составление сметы на строительство линейных сооружений

Смета на строительство является основным документом, по которому осуществляется планирование капитальных вложений, финансирование строительства и расчета между подрядчиком и заказчиком за выполнение работы.

Таблица 7.1 Локальная смета на прокладку и монтаж оптического кабеля (в ценах 1984 г.).

В таблице 7.2 приведена приблизительная стоимость отечественного оптического кабеля в зависимости от числа ОВ (в ценах 1984 г.).

Для расчета локальной сметы необходимо определить длину кабеля с учетом эксплуатационного запаса ().

В курсовом проекте примем =4%, тогда длина кабеля определится следующим образом:

L_каб=(l_б+ l_м+ l_вр)1,04+ l_кан. =(203+8+2)*1,04+11=233 км (7.1)

Где:

l_б — длина трассы при бестраншейной прокладке (кабелеукладчиком);

l_м — длина трассы, разрабатываемой мехспособом (экскаватор);

l_вр — длина трассы, разрабатываемой вручную;

l_кан — количество кабеля прокладываемого в канализации.

Рекомендуемое процентное соотношение в способах производства работ по прокладке кабеля:

бестраншейная прокладка — 95%;

прокладка в траншею, разрабатываемую вручную -5%

прокладка в канализации — 3 4 км на город = 11 км.

Примечание

1) Количество муфт по трассе:

n_тр = L_тр / L _сд — 1=222/6−1=36 (7.4)

где: L_тр — протяженность ВОЛП на загородном участке, 222 км;

L _сд — строительная длина ОК, прокладываемого на загородном участке, L _сд =6 км.

2) Количество муфт в колодцах кабельной канализации:

n_кк = L_кк / L _сд — 1=11/2−1=5; (7.5)

где: L_кк — протяженность кабельной канализации в каждом населенном пункте, 65 км;

L _сд — строительная длина ОК, прокладываемого в кабельной канализации, L _сд =2 км.

3) Общее количество муфт:

n=n_тр+n_кк=36+5=41 (7.6)

Таблица 7.3 Объектная смета на строительство линейных сооружений на участке ОП — ОП.

Для оценки экономичности проекта определяются показатели единичной стоимости, т. е. стоимости 1 канало — километра и 1 км трассы проектируемой магистрали.

Эти показатели определяются по формулам:

С_канкм = С_общ / n_кан*L_маг = 2 078 204,8/ 1488 * 218 = 6 руб./канкм; (7.2)

С_{км. тр.} = С_общ / L_маг= 2 078 204,8 / 233 = 8919 руб./км (7.3)

Сравнивая полученные показатели аналогичных объектов, можно судить о правильности принятых в проекте решений.

Нормативная трудоемкость в чел.-час и сметная заработная плата в рублях рассчитывается и используется для планирования деятельности строительных организаций.

8. Расчет параметров надежности ВОЛП

Требуемая быстрота и точность передачи информации средствами электросвязи обеспечиваются высоким качеством работы всех звеньев сети электросвязи: предприятий, линий связи, технических средств. Обобщающим показателем работы средств связи является надежность.

Надежность — комплексное свойство, которое в зависимости от условий строительства и эксплуатации, может включать долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость, либо определенное сочетание этих параметров. Надежность ОК — свойство сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения.

При проектировании должна быть произведена оценка показателей надежности. Необходимо рассчитать коэффициент готовности (К_г) и время наработки на отказ (Т_о).

Коэффициент готовности кабеля (ВОЛП) — вероятность того, что кабель (ВОЛП) окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых он подвергается профилактическому контролю.

Наработка на отказ — среднее значение времени наработки между двумя последовательными отказами.

Время восстановления ОК — продолжительность восстановления работоспособного состояния двух или нескольких ОВ.

Требуемые показатели надежности для внутризоновой первичной сети (ВзПС) и магистральной первичной сети (СМП) ВСС РФ с максимальной протяженностью L_м (без резервирования) приведены в таблицах 8.1 и 8.2 в соответствии с РД 45.047 — 99.

Таблица 8.1 — Показатели надежности для ВзПС, L_М = 1400 км

Таблица 8.2 — Показатели надежности для СМП, L_М = 12 500 км

Расчет параметров надежности будем производить для канала ОЦК на перспективной цифровой сети.

Среднее число (плотность) отказов ОК за счет внешних повреждений на 100 км. кабеля в год: = 0,34. Тогда интенсивность отказов ОК за 1 час на длине трассы ВОЛП (L) определится как:

(8.1)

где: L — длина проектируемой магистрали;

8760 — количество часов в году.

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

(8.2)

где: Т_в — 4,24 час.: время восстановления (из табл. 8.1 и 8.2),

а коэффициент готовности:

(8.3)

При длине канала (магистрали) L не равной Lм среднее время между отказами определяется как:

час, (8.4)

где: L — длина проектируемой ВОЛП, 233 км;

Т₀ — средне значение времени между отказами, ч.

Т₀ (230 час) и L_м (12 500 км) — из табл. 8.1 и 8.2.

Для случаев эксплуатации ВОЛП на основе оптимальной стратегии восстановления, начинающегося с обнаружения предотказного состояния объектов технической эксплуатации (ОТЭ), т. е. повреждения, необходимо для инженерных расчетов показателей надежности использовать выражение:

(8.5)

где: t₁ -3,5 час. — время подъезда (из табл. 10.2).

Следовательно

Полученные значения параметров надежности К_г выше нормативных показателей 0,9998>0,982, следовательно рассчитанная ВОЛП работоспособна.

Заключение

магистраль оптический кабель трасса

В результате проведения выше изложенных расчетов и рассуждений в данной курсовой работе была спроектирована магистральная волоконная линия связи, соединяющая между собой Псков и Новгород. На основе исходных данных было рассчитано необходимое число каналов, параметры оптического кабеля, по рассчитанным параметрам выбран тип оптического кабеля и тип аппаратуры. Также была приведена схема размещения регенерационных участков. В заключении всей курсовой работы приведена смета на строительство и монтаж ВОЛС, а также рассчитаны качественные показатели ВОЛП, которые соответствуют РД 45.047 — 99.

Список используемой литературы

Н.И. Горлов «Оптические линии связи и пассивные компоненты ВОСП» — Новосибирск 2003.-229 с.

Н.И. Горлов, Ж. А. Михайловская, Л. В. Первушина «Проектирование магистральных и внутризоновых ВОЛП»

Конспект лекций.