Проектирование междугородной магистрали между городами Омск и Курган с использованием оптического кабеля

Исходные данные:

n₁=1,477

n₂=1,475

=1,55 мкм

Трасса: Курган — Омск.

Выбор трассы магистральной линии связи

Трасса прокладки кабеля 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 обеспечения первого требования учитывают протяженность трассы, наличие и сложность пересечения рек, железных и шоссейных дорог, трубопроводов, характер местности, почв, грунтовых вод, возможность применения механизированной прокладки, необходимость защиты сооружений связи от электромагнитных влияний и коррозии, возможность и условия доставки грузов (материалов, оборудования) на трассу.

Для обеспечения второго и третьего требований учитывают жилищно-бытовые условия и возможность размещения обслуживающего персонала, а также создание соответствующих условий для исполнения служебных обязанностей.

Для соблюдения указанных требований траса 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 автомобильных дорог или вдоль профилированных проселочных дорог. Допускается спрямление трассы кабеля, если прокладка вдоль автомобильной дороги значительно удлиняет трассу.

При пересечении водных преград переходы выбирают в тех местах, где река имеет наименьшую ширину, нет скальных и каменистых грунтов, заторов льда и т. д. Следует избегать в месте перехода обрывистых или заболоченных берегов, перекатных участков, паромных переправ, стоянок судов, причалов и т. д.

Возможны несколько вариантов проектирования трассы. Рассмотрим маршрут вдоль автомобильной дороги и вдоль железной дороги.

Вдоль автомобильной дороги М- 51: Омск — Петропавловск — Курган.

Вдоль железной дороги: Омск — Петропавловск — Курган.

3. Вдоль автомобильной дороги в обход Казахстана: ОмскИшим (По трассе 1Р 402) — Бердюжье — Петухово — Курган.

К достоинствам первых двух маршрутов можно отнести удобство доставки грузов, хорошие жилищно-бытовые условия, а также возможность размещения обслуживающего персонала и создание соответствующих условий для исполнения служебных обязанностей.

Составим сравнительную таблицу:

На основе сравнения можно сделать вывод о предпочтении первого варианта трассы (вдоль автомобильной дороги).

• 2. Рассчитать необходимое число каналов

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

Численность населения в любом областном центре и в области в целом может быть определена на основании статистических данных последней переписи населения. Количество населения в заданном пункте и его подчиненных окрестностях с учетом среднего прироста населения

чел.,

где - народонаселение в период переписи населения, чел.,

р — средний годовой прирост населения в данной местности, %,

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

Год перспективного проектирования принимается на 5−10 лет вперед по сравнению с текущим временем, следовательно,, где - год составления проекта; - год, к которому относятся данные .

t= 10+ (t_m— 2001)= 10 + (2001;2001) = 10 лет

Планируемая численность населения через период t, в заданных областях:

В Омской: H _t = 2146(1+(2/100))¹⁰= 2615,96 тыс.чел.

В Курганской: H _t = 1088,3(1+(2/100))¹⁰= 1326,63 тыс.чел.

Количество абонентов в зоне действия АМТС принимаем m=0.3H_t

m_омск= 0,3*2615,96= 784,77 тыс.

m_курган= 0,3*1326,63= 397,99 тыс.

Степень заинтересованности отдельных групп населения во взаимосвязи зависит от политических, экономических, культурных и социально-бытовых отношений между группами населения, районами и областями. Практически эти взаимосвязи определяются через коэффициент тяготения .

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

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

— коэффициент тяготения, ;

у — удельная нагрузка, т. е. средняя нагрузка, создаваемая одним абонентом, Эрл;

и — количество абонентов, обслуживаемых той или иной оконечной АМТС, определяется в зависимости от численности населения, проживающего в зоне обслуживания.

n_тф= 1,3*0,05*0,05((784,77*10³*397,99*10³)/(784,77*10³+397,99*10³)) + 5,6 = 863,8 кан.

Принимаем n_тф= 864 кан.

n_об= 864*2 = 1728 кан.

Выбор системы передачи и определение требуемого числа оптических волокон (ОВ) в оптическом кабеле (ОК). Выбор типа ОК

Для организации связи будем использовать систему с аппаратурой Сопка 4 М на 1920 каналов. Аппаратура предназначена для организации связи по одномодовому ОК на длине волны 1,55 мкм. На магистральном участке первичной цепи. Необходимо использовать для организации 1728 каналов одну аппаратуру Сопка 4 М. В аппаратуре применяется линейный код 10B1P1R. Структурная схема приемо-передающих трактов данной СП приведена на рисунке. Четверичный цифровой поток со скоростью 139 Мбит/с в коде CMI преобразуется в декодере ДК в двоичный код (формат NRZ). После скремблирования (блок СКР) происходит кодирование потока (блок КД). На выходе КД образуется информационный сигнал в коде 10В12 В со скоростью 167 Мбит/с.

В формирователе линейного сигнала (ФЛС) происходит объединение информационного сигнала с импульсными потоками сервисных сигналов. При этом поток Р обеспечивает баланс кода линейного сигнала (B_p=13,9 Мбит/с), а поток R со скоростью 13,9 Мбит/с состоит из следующих цифровых сигналов :

— цикловой синхронизации (В_ц= 290 кбит/с)

— контроля ошибок линейного сигнала (В_ош= 2,321 Мбит/с)

— служебной связи (В_ос=32 кбит/с)

— телемеханики (В_тм= 1,2 кбит/с)

— дополнительных первичных цифровых потоков: В= n*2,048 Мбит/с, где n =1 — 4.

Первичные цифровые потоки могут быть выделены в любом НРП (ОРП), что обеспечивает организацию связи с населенными пунктами, расположенными на магистрали СП Сопка 4 М. Сформированный в ФЛС электрический линейный сигнал через корректор КР передается в передающий оптический модуль (ПОМ), где он преобразуется в оптический линейный сигнал, который излучается в ОВ со скоростью 167 Мбит/с.

Приемный оптический модуль (ПРОМ) и станционный регенератор (РС) восстанавливают линейный электрический сигнал, который поступает затем в устройство разделения (УР), разделяющее сервисные и информационные сигналы. Управляет работой УР сигнал цикловой синхронизации, образующийся на выходе приемника ЦС (ПЦС), и линейная частота. Декодер (ДК) преобразует сигнал в коде 10В12 В в двоичный код (формат NRZ).

Преобразование этого сигнала в стыковой код CMI (В=139 Мбит/с) производится в кодере К. Детектор ошибок (ДКО) анализирует поток ошибок, фиксирует их, накапливает и если Р_ош > 10^-6, посылает предупреждающий сигнал в блок сигнализации (БС); если Р_ош > 10^-3 в этот блок подается сигнал авария. Блок резервного канала (БРК) преобразует на передаче до 4-х первичных цифровых потоков в коде НДВ в потоки цифровых сигналов в двоичном коде (формат NRZ) ;на приеме имеет место обратное преобразование. При пропадании сигнала в любой точке тракта приема, в точку стыка подается СИАС, который фиксируется станционной сигнализацией.

Схема организации связи по ОЛП представлена на рис. Оборудование конечной станции содержит две стойки оконечных линейного тракта оптические (СОЛТ — 4- О), стойку служебной связи и телемеханики СС и ТМ, а так же секцию техобслуживания (СТО). С помощью этой секции осуществляется постоянный контроль работоспособности линейного тракта, путем сбора информации о состоянии кабеля, НРП и ОРП. В СТО входит ЭВМ, позволяющая накапливать, обобщать и документировать полученную информацию. В ОРП возможно выделение и введение четверичного потока, а так же до 4-х первичных цифровых потоков, в НРП можно так же выделить первичные потоки. Линейный тракт данной ЦВОСП рассчитан на максимальную длину 2500 км. А максимальное расстояние между ОРП 830 км. Вероятность ошибки при максимальной длине линейного тракта Р_ош= 10^-8.

Выбор типа ОК

При разработке конструкции ОК следует учитывать ряд требований:

кабель должен быть надежно защищен от наружных механических воздействий;

при изгибе кабеля или при его растягивании в процессе прокладки ОВ должны оставаться неповрежденными по всему сечению кабеля;

в конструкции должны быть, как минимум, две медные жилы, по которым к регенераторам подается дистанционное электропитание по системе «провод — провод», в отдельных случаях оно может подаваться по системе «провод — металлическая оболочка» .

На практике обычно используют концентрическую конструкцию ОК. Она характеризуется осесимметричным расположением оптических модулей (ОМ) в сердечнике кабеля, которые образуют один или несколько повивов. ОМ — это конструктивный элемент, состоящий из одного или нескольких ОВ и армирующих элементов, расположенных в общей оболочке, причем каждое ОВ является самостоятельной передающей средой. Помимо ОМ в конструкцию ОК обязательно входят силовые армирующие элементы, демифирующие слои и наружное покрытие.

Оптическое волокно снаружи покрывают тонкой лаковой пленкой и однослойным или двухслойным полимером, отсюда внешний диаметр волокна 0.5−1 мм. ОВ свободно без натяжения располагается внутри полой пластмассовой трубки, заполненной мягкими синтетическими волокнами.

Для организации связи между пунктами Омск и Курган, используем одну систему передачи Сопка 4 М, для работы которой необходимы два оптических волокна.

Линейные кабели ОКЛ предназначены для одномодовой связи на длине волны 1,55 мкм. Отличительной особенностью этих кабелей является наличие медных проводов для дистанционного электропитания. Они изготовляются емкостью 4, 8, 16 волокон. Конструктивный вариант кабеля ОКЛ приведен на рисунке.

В данном курсовом проекте используем кабель ОКЛБ-01−0,3/3,5−4.

Маркировка: ОКЛБ — оптический кабель линейный, с броней из ленточной стали. Число оптических волокон — 4, коэффициент затуханияне более 0,3 дБ/км., дисперсия не более 3,5 пс/(нс*км), наружный диаметр 18,4 0,2 мм., расчетная масса 1 км — 404 км.

Характеристики кабеля и область применения:

Кабель магистральный и внутризоновый, с центральным силовым элементом из стеклопластикового стержня, вокруг которого скручены оптические модули, с гидрофобным заполнителем, промежуточной оболочкой из полиэтилена, броней из стеклопластиковых стержней и защитной оболочкой из полиэтилена. Кабель используется для прокладки в грунтах всех категорий, в том числе зараженных грызунами, кроме подверженных мерзлотным деформациям, в кабельной канализации, трубах, блоках, коллекторов, на мостах и в шахтах, через неглубокие болота и несудоходные реки.

Рис. Оптический магистральный кабель типа ОКЛ.

Конструкция ОК типа ОКЛБ-01−0,3/3,5 — 8:

1 — оптическое волокно. 2 — силовой элемент.

3 — медный проводник. 4 и 6 — внутренняя и внешняя полиэтиленовые оболочки. 5 — стальная лента.

4. Расчет параметров ОК

Простейшие ОВ представляют собой круглый диэлектрический (стекло или прозрачный полимер) стержень, называемый сердцевиной, окруженный диэлектрической оболочкой. Показатель преломления материала сердцевины всегда больше показателя преломления оболочки, где и — относительные диэлектрические проницаемости сердцевины и оболочки соответственно.

Для передачи сигналов по ОВ используется явление полного внутреннего отражения на границе раздела двух диэлектрических сред (n₁>n₂), при этом угол полного внутреннего отражения

sin_n = n₂/n₁

С другой стороны величина угла полного внутреннего отражения зависит от соотношения диаметра сердцевины и длины волны

cos_n = /d_c

Таким образом, по ОВ будут эффективно передаваться только лучи, заключенные внутри телесного угла (как показано на вышеприведенном рисунке), величина которого обусловлена углом полного внутреннего отражения. Этот телесный угол характеризуется числовой апертурой

NA = (n₁² — n₂²)^0.5 = (1,477² — 1,475²)^0,5=0,768

Апертура — это угол между оптической осью и одной из образующих светового конуса, попадающего в торец волоконного световода, при котором выполняется условие полного внутреннего отражения.

Лучи попадающие в торец ОВ вне телесного угла, образуют так называемые пространственные волны, которые являются паразитными, отбирающими энергию волны сердцевины.

В зависимости от числа распространяющихся на рабочей частоте мод ОВ разделяются на одномодовые и многомодовые. Число мод зависит от соотношения диаметра сердцевины и длины волны. В настоящее время принято при длинах волн 0,85−1,55 мкм. применять ОВ с диаметром сердцевины 8 — 10 мкм. для одномодовой передачи и 50 мкм. для многомодовой.

Важнейшим обобщенным параметром волоконного световода, используемым для оценки его свойств, является нормированная частота V:

V=2*pi*a*NA/= 2*3.14*5*0,0768/1,55 = 1,556

где а-радиус сердцевины волокна.

Число передаваемых мод в световоде можно определить по формуле:

Nст = V²/2=1,556²/2 = 1,21

Определим критическую длину волны и частоту:

f_кр= с/(d_c*NA) = 3*10⁸/(10^-5*0,0768) = 3,90 625*10¹⁴ Гц

_кр = с/ f_кр= 3*10⁸/3,90 625*10¹⁴= 0.77 мкм.

Ослабление сигнала в ОВ обусловлено собственными потерями и дополнительными кабельными потерями, обусловленными неоднородностями конструктивных параметров, возникающих при деформации и изгибе световодов в процессе наложения покрытий и защитных оболочек при изготовлении кабеля. Коэффициент затухания (ослабления)

.

Величина в реальных условиях составляет 0,1−0,2 дБ/км. Собственные потери состоят из трех составляющих: ослабления за счет поглощения; ослабления за счет наличия в материале ОВ посторонних примесей; ослабления за счет потерь на рассеяние .

_с=_п+_пр+_р

Рассчитаем каждую составляющую собственных потерь:

_п= (4,34*pi*n₁*tg)/= (4,34*3,14*1,477*10^-11)/1,55*10^-6=0,13 дБ/км

где tgтангенс угла диэлектрических потерь.

Потери энергии также существенно возрастают из-за наличия в материале ОВ посторонних примесей, таких как гидроксильные группы (ОН), ионы металлов и др. Из-за примесей возникают всплески ослабления на волнах 0,95 и 1,4 мкм. При этом наблюдается три окна прозрачности световода с малыми ослаблениями в диапазонах волн 0,8 — 0,9; 1,2 — 1,3; 1,5 — 1,6 мкм.

Так как длина волны равна 1,55 мкм. (3-е окно прозрачности), значит _пр можно пренебречь.

Рассеяние обусловлено неоднородностями электрических параметров материала ОВ, примесями, размеры которых меньше длины волны, и тепловой флуктуацией показателя преломления.

_р = (4,34*8*pi³ (n₁²-1) к*Т**10³)/3*⁴ = (4,34*8*3,14³*(1,477²-1)*1,28*10^-23*8,1*10^-11*10³)/3*1,55*10^-6 = 0,114 дБ/км

где кпостоянная Больцмана.

Т — температура перехода стекла в твердую фазу.

— коэффициент сжимаемости.

Кабельные потери, главным образом обусловлены следующими факторами:

1. Дополнительное затухание, возникающее вследствие микроизгибов ОВ (при изготовлении ОК).

Дополнительное затухание, возникающее вследствие макроизгибов ОВ (при уложении ОВ в ОК).

3.Дополнительное затухание за счет потерь в защитной оболочке.

4.Дополнительное затухание, возникающее вследствие термодинамических воздействий (при изготовлении ОК).

5.Дополнительное затухание, возникающее при монтаже строительных длин.

_к принимаем равным 0,1 дБ/км

Таким образом, суммарное затухание составило :

= 0,13 + 0 + 0.114 + 0,1 = 0,344 дБ/км

Дисперсия и пропускная способность ОВ.

Полоса частот F, пропускаемая ОВ, определяет объем информации, который можно с заданным качеством передать по ОК. Теоретически по ОВ можно организовать огромное число каналов на большие расстояния, а практически F ограничена. Это обусловлено тем, что сигнал на другой конец приходит искаженным (импульс размывается, уширяется) вследствие различия фаз его составляющих. Данное явление оценивают величиной уширения передаваемых импульсов.

В многомодовых ОВ (МОВ) уширение импульса происходит в основном из-за модовой дисперсии и определяется как разность времени задержки в конце ОВ высшей и низшей из распространяющихся мод, прошедших по ОВ расстояние за самое большое и самое малое время соответственно. В геометрической интерпретации соответствующие этим модам лучи идут под разными углами к оси ОВ и проходят разные по длине расстояния.

В градиентных ОВ происходит выравнивание времени распространения различных мод за счет специально подобранного профиля показателя преломления: уменьшается от центра к периферии по параболическому закону. Это вызывает рефракцию — искривление траектории луча к осевой линии, что обуславливает волнообразный характер распространения лучей вдоль ОВ по винтовой линии. ГОВ подобно среде с распределенным линзовым эффектом, в которой световой пучок подвергается непрерывной подфокусировке.

Кроме модовой дисперсии в ОВ существует еще хроматическая (частотная) дисперсия (материальная, волноводная и профильная). Помимо ОВ в общее уширение импульса вносят свой вклад оптический излучатель (лазер, светодиод) и фотоприемник (фотодиод).

Причинами дисперсии является некогерентность источников излучения, определяемое хроматической дисперсией. В свою очередь хроматическая дисперсия делится на материальную (возникает вследствие частотной зависимости показателя преломления материала сердцевины) и волноводную (связана с частотной зависимостью продольного коэффициента). Еще одной причиной дисперсии является наличие большого числа мод.

= (_мод²+(_мат+_в)²)^0,5

Для одномодового волокна _мод = 0.

Материальная и волноводная составляющие дисперсии расчитываются следующим образом :

_мат = *М ().

Для =1,55 мкм М ()= -18 пс/(км*нм)

_в = *В ().

Для =1,55 мкм В ()= 12 пс/(км*нм)

Ширина спектра излучения лазерного источника = 0,2…2 нм

Примем = 1 нм.

Получим :

_рез = (1*(-18+12)²)^0,5 = 6 пс/км

Пропускная способность ОВ :

F = 0,44/_рез = 0,44/6*10^-12 = 7,33*10¹⁰ Гцкм.

Чем больше дисперсия и уширение импульса, тем меньше частотный диапазон использования ОВ.

5. Определение длины регенерационного участка

После того как выбраны типовая система передачи и оптический кабель, на основе заданных качества связи и пропускной способности линии определяют длины регенерационных участков l_р

По мере распространения оптического сигнала по кабелю, с одной стороны, происходит снижение уровня мощности; с другой стороны, — уширение передаваемых импульсов.

Таким образом, длина l_р ограничена либо затуханием, либо уширением импульсов в линии. Затухание лимитирует длину участка по потерям в тракте передачи. Дисперсия приводит к расширению передаваемых импульсов, в результате чего сигнал на приеме получается размытым, искаженным.

Для качественного приема сигналов достаточно выполнить требование

l_р <0,44/(*F_т)

где — тактовая частота сигнала выбранной системы передачи (139,264 Мбит/с); Отсюда следует

l_р <0,44/ (6*139,264) = 526,578 км

Вторым расчетным соотношением для l_р является

l_р < (П-2*а_рс-а_нс-Э)/(_ок+ (а_нс/l_стр))

где а_нc, а_рc — затухание в неразъемных и разъемных соединениях соответственно;

Пэнергетический потенциал системы передачи.

Э — системный запас СП по кабелю на участке регенерации.

l_р < (43−2*0,3−0,1−6)/(0,344+(0,¼)) = 84,8 км.

7. Схема размещения регенерационных пунктов по трассе оптического кабеля

Для самой аппаратуры Сопка 4 М максимальная длина регенерационного участка составляет 70 км. В данном случае целесообразно взять её равной 66 км. Так как длина трассы составляет 528 км и следовательно получаем восемь одинаковых по протяженности участков.

Рис. Схема размещения регенерационных пунктов.

Цифрами указаны номера НПР-ов.

Общая протяжённость трассы составляет 528 км поэтому нет необходимости ставить ОРП, используем только 7 НРП.

8. Составление сметы на строительство линейных сооружений магистрали связи

Смета на строительство является основным документом, на основании которого осуществляется планирование капитальных вложений, финансирования строительства и расчёт за выполнение строительно-монтажных работ между подрядчиком и закачиком.

В курсовом проекте определяем затраты только на строительство и монтаж линейных сооружений. Стоимость, определяемая локальными сметами, включает в себя прямые затраты, накладные расходы и плановые накопления.

Прямые затраты учитывают основную заработную плату на:

1.Прокладка кабеля вручную (прокладка ОК в траншею с автомобиля при помощи рабочих).

2.Прокладка кабеля кабелеукладчиком. Строительство магистральных и внутризоновых ВОСП характеризуется большой протяженностью, различными климатическими, почвенно-грунтовыми и топографическими условиями.

3.Усройства перехода через автомобильные и железные дороги (ОК затягивают в асбоцементные и пластмассовые трубы).

4.Устройства перехода через реки. Прокладка ОК на размытых берегах, имеющих уклон более 30 градусов, на подъёмах и спусках должна производиться вручную зигзагообразно с отклонением от оси направления прокладки 1,5 метра на участке длиной 5 метров. В скальных грунтах кабель прокладывают на песчаной подушке.

Накладные расходы учитывают затраты на организацию, управление и обслуживание строительства. Плановые накопления представляют собой нормативную прибыль строительномонтажных организаций и определяются в размере 8% от суммы прямых затрат и накладных расходов.

Для расчёта сметы необходимо определить следующие параметры:

1.N_c= N_cд-1

N_c-число сростков.

N_cд— число строительных длин.

N_cд=L/lстр+lкк/ lстр =528/4 =132, отсюда N_c=131

L-длина ВОСП от Омска до Кургана.

2. l= l + l_кан + l_запас = 528 +4*2 + 528*0.04 =560 км

l_запас-Запас кабеля (берём 4%) 6 строительных длин.

Протяжённость кабельной канализации принимаем равной 4-м км. для каждого города (Омск и Курган).

Смету на строительство и монтаж приведём в таблице 1:

Стоимость канало-километра линейных сооружений

Цены указаны в условных рублях. 1 у.р.=5000 р.

связь магистральный кабель трасса

Выводы

В результате работы были получены следующие данные:

Необходимое число каналов — 410;

Система передачи — ИКМ-480;

Требуемое число оптических волокон в ОК — 2;

Числовая апертура — 0,209 при =1,455;

Коэффициент затухания 4,307 ;

Дисперсия ,

пропускная способность Гцкм.

Длина регенерационного участка — 13 км.

Стоимость канало-километра линейных сооружений — 0,9 .

Гроднев И.И., Верник С. М. «Линии связи». Москва. «Радио и связь», 1988 г.

Методические указания к выполнению курсового проекта по курсу «Линии связи». Москва, 1995 г.

Справочник «Волоконно-оптические системы передачи и кабели». Москва «Радио и связь», 1993 г.

Атлас автомобильных дорог.