Проектирование магистральной волоконно-оптической линии связи

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Аннотация

Дипломный проект посвящен вопросу проектирования магистральной волоконно-оптической линии связи.

Разработана методика проектирования магистральной ВОЛС, на ее основе произведен расчет магистрали Уфа - Самара. Проведены выбор и обоснование аппаратуры, экспериментально исследованы основные параметры проектируемой системы передачи.



Введение

В последнее время одним из наиболее перспективных и развивающихся направлений построения сетей связи в мире являются волоконно-оптические линии связи (далее - ВОЛС). В области систем передачи информации с большой информационной емкостью и высокой надежностью работы ВОЛС не имеют конкурентов. Это объясняется тем, что они значительно превосходят проводные по таким показателям, как пропускная способность, длина регенерационного участка, а также помехозащищенность.

В состав первичной сети цифровых систем передачи данных входит среда передачи сигналов и аппаратура систем передачи. Современная цифровая первичная сеть может строиться на основе трех технологий: PDH, SDH и ATM. Первичная цифровая сеть на основе PDH/SDH состоит из узлов мультиплексирования (мультиплексоров), выполняющих роль преобразователей между каналами различных уровней иерархии стандартной пропускной способности (ниже), регенераторов, восстанавливающих цифровой поток на протяженных трактах, и цифровых кроссов, которые осуществляют коммутацию на уровне каналов и трактов первичной сети. Первичная сеть строится на основе типовых каналов, образованных системами передачи. Цикловая структура сигнала используется для синхронизации, процессов мультиплексирования и демультиплексирования между различными уровнями иерархии каналов первичной сети, а также для контроля блоковых ошибок. Аппаратура передачи осуществляет преобразование цифрового сигнала с цикловой структурой в модулированный электрический сигнал, передаваемый затем по среде передачи. Тип модуляции зависит от используемой аппаратуры и среды передачи. Внутри цифровых систем передачи осуществляется передача электрических сигналов различной структуры, на выходе цифровых систем передачи образуются каналы цифровой первичной сети, соответствующие стандартам по скорости передачи, цикловой структуре и типу линейного кода. Современная цифровая первичная сеть строится на основе трех основных технологий: плезиохронной иерархии (PDH), синхронной иерархии (SDH) и асинхронного режима переноса (передачи) (ATM). Из перечисленных технологий только первые две в настоящее время могут рассматриваться как основа построения цифровой первичной сети.

Многоканальные волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) широко используются на магистральных и зоновых сетях связи страны, а также для устройства соединительных линий между городскими АТС. Объясняется это тем, что ОВ обладает очень широкой полосой пропускания. Особенно эффективны и экономичны подводные солитонные оптические магистрали.

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.



1. Общая часть

1.1 Волоконно-оптические линии связи

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) - линии оптической связи, в которых передача информации осуществляется с помощью волоконно-оптических элементов. ВОЛС состоит из передающего и приёмного оптических модулей, волоконно-оптических кабелей и волоконно-оптических соединителей. Оптическое волокно - самая совершенная среда для передачи больших потоков информации на большие расстояния. Оно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, - широко распространённого и недорогого материала, в отличие от меди, используемой в обычных проводах. Оптическое волокно очень компактное и лёгкое, его диаметр всего около 100 мкм. Волоконные световоды представляют собой волоконно-оптические жгуты, склеенные или спечённые у концов, защищённые непрозрачной оболочкой и имеющие торцы с полированной поверхностью. Стеклянное волокно - диэлектрик, поэтому при строительстве волоконно-оптических систем связи отдельные оптические волокна не нуждаются в изоляции друг от друга. Долговечность оптического волокна - до 25 лет.

При создании волоконно-оптических линий связи необходимы высоконадёжные электронные элементы, преобразующие электрические сигналы в свет и свет в электрические сигналы, а также оптические соединители с малыми оптическими потерями. Поэтому для монтажа таких линий требуется дорогостоящее оборудование. Однако преимущества от применения волоконно-оптических линий связи настолько велики, что, несмотря на перечисленные недостатки оптических волокон, эти линии связи всё шире используются для передачи информации. Скорость передачи данных может быть увеличена за счёт передачи информации сразу в двух направлениях, т.к. световые волны могут распространяться в одном оптическом волокне независимо друг от друга. Это даёт возможность удвоить пропускную способность оптического канала связи. Волоконно-оптические линии связи устойчивы к электромагнитным помехам, а передаваемая по световодам информация защищена от несанкционированного доступа. К таким линиям связи невозможно подключиться без нарушения целостности линии.

1.2 Элементы ВОЛС

ВОЛС состоит из пассивных и активных элементов.

1) Активные компоненты:

- мультиплексор/Демультиплексер;

- регенератор;

- усилитель;

- лазер;

- модулятор;

- фотоприёмник (Фотодиод).

2) Пассивные элементы:

- оптический кабель;

- оптическая муфта;

- оптический кросс.

1.2.1 Оптический кабель

Оптоволоконный (он же волоконно-оптический) кабель - это принципиально иной тип кабеля по сравнению с другими типами электрических или медных кабелей. Информация по нему передается не электрическим сигналом, а световым. Главный его элемент - это прозрачное стекловолокно, по которому свет проходит на огромные расстояния (до десятков километров) с незначительным ослаблением.

Структура оптоволоконного кабеля очень проста и похожа на структуру коаксиального электрического кабеля (рисунок 1). Только вместо центрального медного провода здесь используется тонкое (диаметром около 1 - 10 мкм) стекловолокно, а вместо внутренней изоляции - стеклянная или пластиковая оболочка, не позволяющая свету выходить за пределы стекловолокна.

Рисунок 1 - Структура оптоволоконного кабеля

В данном случае речь идет о режиме так называемого полного внутреннего отражения света от границы двух веществ с разными коэффициентами преломления (у стеклянной оболочки коэффициент преломления значительно ниже, чем у центрального волокна). Металлическая оплетка кабеля обычно отсутствует, так как экранирование от внешних электромагнитных помех здесь не требуется. Однако иногда ее все-таки применяют для механической защиты от окружающей среды (такой кабель иногда называют броневым, он может объединять под одной оболочкой несколько оптоволоконных кабелей). Оптоволоконный кабель обладает исключительными характеристиками по помехозащищенности и секретности передаваемой информации. Никакие внешние электромагнитные помехи в принципе не способны исказить световой сигнал, а сам сигнал не порождает внешних электромагнитных излучений. Подключиться к этому типу кабеля для несанкционированного прослушивания сети практически невозможно, так как при этом нарушается целостность кабеля. Теоретически возможная полоса пропускания такого кабеля достигает величины 1012 Гц, то есть 1000 ГГц, что несравнимо выше, чем у электрических кабелей. Стоимость оптоволоконного кабеля постоянно снижается и сейчас примерно равна стоимости тонкого коаксиального кабеля. Типичная величина затухания сигнала в оптоволоконных кабелях на частотах, используемых в локальных сетях, составляет от 5 до 20 дБ/км, что примерно соответствует показателям электрических кабелей на низких частотах. Но в случае оптоволоконного кабеля при росте частоты передаваемого сигнала затухание увеличивается очень незначительно, и на больших частотах (особенно свыше 200 МГц) его преимущества перед электрическим кабелем неоспоримы, у него просто нет конкурентов.

Преимущества оптики хорошо известны: это иммунитет к шумам и помехам, малый диаметр кабелей при огромной пропускной способности, устойчивость к взлому и перехвату информации, отсутствие нужды в ретрансляторах и усилителях и т.д. Когда-то были проблемы с оконечной заделкой оптических линий, но сегодня они в основном решены, так что работать с этой технологией стало гораздо проще. Есть, однако, ряд вопросов, которые надо рассматривать исключительно в контексте областей применения. При передаче данных по оптоволокну, качество волоконно-оптической связи зависит от того, насколько хорошо согласованы выходной сигнал передатчика и входной каскад приемника. Некорректная спецификация мощности сигнала приводит к увеличению коэффициента битовых ошибок при передаче; мощность слишком большая -- и усилитель приемника «перенасыщается», слишком малая -- и возникает проблема с шумами, поскольку они начинают мешает полезному сигналу. Вот два наиболее критичных параметра ВОЛС: выходная мощность передатчика и потери при передаче -- затухания в оптическом кабеле, который соединяет передатчик и приемник.

Существуют два различных типа оптоволоконного кабеля:

1) многомодовый или мультимодовый кабель, более дешевый, но менее качественный;

2) одномодовый кабель, более дорогой, но имеет лучшие характеристики по сравнению с первым. 

Тип кабеля определят количество режимов распространения или «путей», по которым свет проходит внутри кабеля.

Рисунок 2 - Различия в физических параметрах одномодового и многомодовых оптических кабелей.

Многомодовый кабель (рисунок 2), наиболее часто используемый в небольших промышленных, бытовых и коммерческих проектах, имеет самый высокий коэффициент ослабления и работает только на коротких расстояниях. Более старый тип кабеля, 62,5/125 (эти цифры характеризуют внутренний/ внешний диаметры световода в мкм), часто называемый «OM1», имеет ограниченную пропускную способность и используется для передачи данных со скоростью до 200 Мбит/с. Недавно стали применять кабели 50/125 «OM2» и «OM3», предлагающие скорости 1Гбит/с на расстояниях до 500 м и 10 Гбит/с на до 300 м. Одномодовый кабель используется в высокоскоростных соединениях (выше 10 Гбит/с) или на длинных дистанциях (до 30 км). Для передачи аудио и видео наиболее целесообразным является применение кабелей «OM2».

В зависимости от основной области применения волоконно-оптические кабели подразделяются на три основных вида:

1) Кабель внутренней прокладки:

При монтаже ВОЛС в закрытых помещениях обычно применяется Волоконно-оптический кабель с плотным буфером (для защиты от грызунов). Используется для построения СКС в качестве магистрального или горизонтального кабеля. Поддерживает передачу данных на короткие и средние расстояния. Идеально подходит для горизонтального каблирования.

2) Кабель внешней прокладки:

Волоконно-оптический кабель с плотным буфером, бронированный стальной лентой, влагостойкий. Применяется для внешней прокладки при создании подсистемы внешних магистралей и связывают между собой отдельные здания. Может прокладываться в кабельные каналы. Подходит для непосредственной укладки в грунт.

3) Внешний самонесущий оптоволоконный кабель:

Волоконно-оптический кабель самонесущий, со стальным тросиком. Применяется для внешней прокладки на большие расстояния в рамках телефонных сетей. Поддерживает передачу сигналов кабельного телевидения, а также передачу данных. Подходит для прокладки в кабельной канализации и воздушной прокладки.

1.2.2 Оптическая муфта

Важной деталью коммуникационных сетей на основе оптоволоконной связи является оптическая муфта -- небольшой короб, внутри которого расположены инструменты, необходимые для защиты места сварки оптического волокна от повреждения. Кроме того, оптическая муфта позволяет вывести одно или несколько волокон из кабеля для того, чтобы подсоединить его к активному сетевому оборудованию. В большинстве случаев кабельная муфта комплектуется сплайс-кассетой, которая позволяет уложить кабель несколькими витками -- это обеспечивает дополнительную защиту места сварки и также позволяет хранить небольшой технологический запас оптических волокон. Оптическая муфта может использоваться в помещении, зачастую рядом с патч-панелями. Также ее можно разместить вне помещений. Иногда возникает необходимость в сварке разбитого волокна или же в ответвлении нескольких волокон. В таких случаях кабельная муфта незаменима. Ее можно разместить на столбе -- если кабель оптоволокна протягивался на опорах. При необходимости использования в общедоступных местах муфту рекомендуется прятать в антивандальный ящик. Имеются модели, которые можно спрятать в техническом кабельном колодце или небольшой вентиляционной шахте.

Кабельная муфта для оптического кабеля бывает нескольких видов. В зависимости от расположения отверстий для кабеля она бывает проходная и тупиковая. Первая предназначена для соединения кабелей в местах разрыва, для наращивания кабеля или разветвления его. Вторая подходит для использования в конце ветки, тут оптическая муфта облегчает соединение с различным активным оборудованием. Имеются также муфты с компактными размерами, предназначенные для установки в условиях острого недостатка пространства -- их еще называют городскими. Кабельная муфта вне зависимости от области применения и конструкции, отличается высокой точностью исполнения деталей, прочностью и долговечностью узлов. От ее качеств во многом зависит стабильность соединения и долговечность сварки. В сравнении с другими способами соединения оптических волокон кабельная муфта обеспечивает небольшие потери сигнала, при качественной сварке замутненность волокна не сильно ухудшает качество сигнала. Оптическая муфта обеспечивает надежную защиту кабеля от механического воздействия -- она позволяет выдерживать большие нагрузки на скручивание, растяжение, поскольку нагрузку берет на себя неповрежденный участок кабеля. Также это превосходный вариант для организации разветвлений магистрали.



1.2.3 Оптический кросс

Оптический кросс -- это устройство, которое может быть представлено в разном форм-факторе - в панелях, стойках, коробках, оснащенных необходимыми элементами для концевой заделки, укладки и распределения оптических кабелей. Речь идет о пассивном компоненте волоконно-оптических линий связи, распределяющим и коммутирующим оптоволокно.

Оптический кросс предназначен для соединения волокон оптического кабеля с разъёмами стандартного вида волоконно-оптического оборудования. Реализация современной структурированной кабельной системы на базе волоконно-оптических линий связи невозможна без использования оптических кроссов.

Требования к качеству и функциональности кроссового оборудования диктует сама специфика оптического волокна. Хрупкие и достаточно уязвимые материалы нуждаются в надежной защите при монтаже и эксплуатации. Оптические кроссы, сделанные из высокопрочного пластика или металла с антикоррозийным покрытием, выступают тем самым защитным элементом, протектором, который обеспечивает сохранность оптоволокна, предотвращая физические повреждения и исключая негативное воздействие внешних факторов.

1.2.4 Мультиплексор/Демультиплексер

Широкий класс устройств, предназначенных для объединения и разделения информационных каналов. Мультиплексоры и демультиплексоры могут работать как во временной, так и в частотной областях, могут быть электрическими и оптическими (для систем со спектральным уплотнением).

1.2.5 Регенератор

Оптический регенератор (англ. optical regenerator) -- компонент оптической системы связи, предназначенный для регенерации цифрового оптического сигнала.

В сетях дальней связи даже при использовании оптических усилителей, восстанавливающих амплитуду сигнала, накапливаются искажения формы и девиация относительной задержки сигналов (потеря синхронизации). Поэтому обычно требуется периодическая регенерация (от англ. regeneration -- восстановление) для восстановления первоначальной формы и синхронизации сигналов. Полная регенерация (3R регенерация) предполагает выполнение трех восстанавливающих операций по отношению к сигналу: восстановление амплитуды (усиление), восстановление формы и восстановление синхронизации. В современных сетях связи эти три операции выполняются с использованием опто-электро-оптического (ОЕО) преобразования. Такие оптические регенераторы называются оптическими повторителями.

Оптические повторители осуществляют детектирование оптических сигналов, преобразование их в электрические сигналы, полное восстановление сигнала в электрической форме и дальнейшую ретрансляцию в виде оптических сигналов. Оптические повторители -- относительно сложные и дорогие устройства, поскольку в состав оптического повторителя входят оптический приемник, электрический регенератор и передатчик.

Для снижения стоимости ОЕО регенераторов большое число оптических повторителей объединяют в одну фотонную интегральную схему, содержащую также оптический мультиплексор, демультиплексор и электронные переключатели каналов.

В будущих сетях дальней связи предполагается использовать полностью оптические регенераторы, выполняющие операции восстановления параметров сигнала нелинейно-оптическими методами без преобразования в электрический сигнал. Предложено несколько способов осуществления полностью оптического восстановления сигналов, основанных на фазовой самомодуляции сигналов в оптических волокнах или канальных волноводах, на фазовой кроссмодуляции, на четырехволновом смешении и на нелинейном насыщении.

1.2.6 Усилитель

Применяется в волоконно-оптических линиях передачи для восстановления уровня оптического сигнала. Преимуществом эрбиевых усилителей является отсутствие преобразования в электрический сигнал, возможность одновременного усиления сигналов с разными длинами волн (что обуславливает возможность усиления спектрально-мультиплексированного сигнала), практически точное соответствие рабочего диапазона эрбиевых усилителей области минимальных оптических потерь световодов на основе кварцевого стекла, сравнительно низкий уровень шума и простота включения в волоконно-оптическую систему.

1.3 Современные цифровые технологии передачи информации

Развитие телекоммуникаций идет ускоренными темпами. Получили широкое развитие современные цифровые технологии передачи данных, к которым можно отнести ATM, Frame Relay, IP, ISDN, PCM, PDH, SDH и WDM. Причем такие технологии, как АТМ, ISDN, PCM, PDH, SDH и WDM можно отнести к технологии глобальных сетей (ГС), или к магистральным технологиям передачи данных.

Технологии ГС основаны на коммутации цепей, они используют предварительное установление соединения. С другой стороны, они относятся к магистральным технологиям, т.е. технологиям, способным передавать данные между ЛВС, районами, городами, зонами/регионами и государствами, использующих развитую адресацию на основе стандарта ITU-T E.164.

Технология IP - пакетная, неотъемлемый атрибут сети Internet и яркий пример сетевой технологии ЛВС, все шире и шире используется для передачи пакетизированного голосового трафика по сети Internet. Благодаря наличию маршрутизаторов и шлюзов в сети общего пользования, IP-телефония может рассматриваться как глобальная магистральная технология. Успех ее обусловлен следующим:

- наличием сформированной среды передачи -Internet, абонентами которой

являются миллионы;

- низкими тарифами на использование сети для голосовой связи по сравнению с соответствующими тарифами традиционной междугородной и международной связи;

- универсальностью услуг сети: передача голоса, данных, видео и мультимедиа (любого уровня);

- универсальностью и доступностью терминального оборудования, устанавливаемого у клиента (ПК + модем);

- доступностью и простотой установки ПО у конечного пользователя;

- возможностью использовать все виды доступа в Internet (ТфОП, выделенный канал, радиорелейная и спутниковая связь).

Технология Frame Relay - пакетная технология КС (первый стандарт ITU-T (МСЭ-Т) относится к 1988 г.), пришедшая на смену технологии X.25. Удобное средство получения дешевых универсальных услуг по передаче голоса (VoFR), факса и данных, используя относительно небольшой (16-32 кбит/с) зарезервированный или коммутируемый виртуальный канал пакетной передачи. Эта технология используется достаточно широко, благодаря следующим возможностям:

- интегрированный сервис на скоростях до Е3/Т3 (34/45 Мбит/с);

- доступ в синхронную сеть асинхронных пользователей с помощью устройств доступа FRAD;

- уровень качества обслуживания/сервиса QoS;

- экономия средств за счет оптимально выбранной арендуемой полосы.

Эта технология не имеет развитых средств адресации, необходимых для магистральных сетевых технологий, но, будучи универсальной технологией доступа, близкой к технологии АТМ (виртуальная адресация PVC-SVC), может рассматриваться интегрировано с транспортной технологией ATM, как технология глобальных сетей.

Технология АТМ - пакетная, задуманная как универсальная широкополосная технология (широкополосная ISDN - BISDN), способная передавать любой тип трафика путем инкапсуляции его информационного содержимого в поле полезной нагрузки ячейки АТМ. (Первые стандарты также относятся к 1988 г.).

Эта технология может быть полностью отнесена к магистральным, но она не является транспортной, так как не имеет в своей OSI-модели физического уровня. В результате она должна использовать какую-то глобальную транспортную технологию, например PDH, SDH, SONET или WDM. Для этого эти технологии или должны иметь возможность инкапсулировать ячейки ATM в поле полезной нагрузки своих транспортных модулей, как это имеет место для технологий DS3, PDH, SDH и SONET, или иметь реализованный физический интерфейс, или интерфейсную карту, позволяющую непосредственно модулировать параметры (например, интенсивность) оптической несущей, как это имеет место в системах с WDM.

Техника инкапсуляции ячеек ATM в виртуальные контейнеры VC-n фреймов SDH (ATM over SDH) регламентируется новым стандартом ITU-T G.707 (3.96), а упаковка во фреймы PDH Е1-Е4 (АТМ over PDH) - новыми стандартами ITU-T G.804 (2.98) и G.832 (10.98). Аналогично регламентируется техника инкапсуляции АТМ over DS3 и ATM over SONET. Что касается интерфейсов, позволяющих передавать АТМ через WDM, то они реализуются производителями этого оборудования.

Технология АТМ имеет следующие возможности:

- предоставление интегрированных услуг по передаче голоса, факса, данных, видео и мультимедиа;

- обеспечение требуемого уровня качества обслуживания QoS;

- предоставление широкого диапазона скоростей передачи от Е1 до Е4, от STM-1 до STM-256 и от OC-1 до OC-768;

- приема передачи с помощью адаптерных плат ПК;

- инкапсуляции и передачи IP-трафика (технология IP over ATM).

Применение технологии АТМ так и не стало массовым, и в настоящее время по степени влияния и распространения она уступает технологии IP, которая может занять ее нишу вместе с технологией ISDN.

Технология ИКМ. Этой технологии уже около 40 лет. Относительный прогресс в России в этой области сводится к факту использования цифровых технологий и АТС и переходу на ОЦК - 64 кбит/с, как на базовую меру использования ширины полосы пропускания цифровых сетей в расчете на одного пользователя. ОЦК допускает не только его использование для передачи голоса, факса и данных, но и организацию наложенной связи (с коммутацией пакетов), а также вторичное уплотнение канала путем использования стандартных алгоритмов сжатия, сертифицированных для применения на сетях ВСС РФ. В первую очередь это относится к использованию известного алгоритма ADPCM (адаптивной дифференциальной ИКМ - АДИКМ), сжимающий ОЦК до 32 кбит/с (CCITT G.721, 1988г.), и новых алгоритмов: LDCELP (алгоритм линейного предсказания с кодовым возбуждением и малой задержкой - ITU-T G.728, 1992г.), сжимающий ОЦК до 16 кбит/с (в 4 раза), практически без ухудшения качества голоса, и CS-ACELP (ITU-T G.729, Annex A, 11.96), сжимающий ОЦК до 8 кбит/с (в 8 раз).

Технология PDH. Этой технологии около 30 лет. Относительный прогресс в этой области состоит лишь в том, что новая генерация оборудования PDH позволяет:

- использовать новую схему формирования фреймов Е2 с байт-интерливингом (ITU-T G.704, 10.98), расширяющую возможности использования схем сигнализации CAS и CCS;

- использовать новые структуры фреймов Е3 и Е4, используемые при взаимодействии PDH и SDH (ITU-T G.832, 10.98);

- передавать виртуальные контейнеры соответствующего уровня фреймов SDH, давая возможность системам PDH соединять отдельные кольца SDH в

единую сеть;

- передавать ниббл сообщения о статусе синхронизации (SSM), формируемый системами SDH, и тем самым участвовать в управлении сетью синхронизации;

- быть включенным в общую схему управления оборудованием единой сети PDH-SDH.

Указанные нововведения позволяют продлить жизнь этой технологии и органично вписаться в интегрированные сети PDH-SDH.

Технология ISDN. Этой технологии около 20 лет, но в нашей стране она начала активно развиваться только последние 5 лет. Ее внедрению мешает как отставание в развертывании цифровых АТС, так и создание адаптированной для России версии известной сигнализации SS#7 (ОКС-7).

Эта технология использует несколько форматов передачи данных: 2B+D (B = 64 кбит/c, D = 16 кбит/с), 6В и 30В+D (D = 64 кбит/с). Наиболее простой из них - первый, так называемый доступ на базовой скорости (BRA). Он позволяет, используя цифровую сеть общего пользования с общей схемой нумерации, передавать голос, факс, данные, осуществлять модемный доступ на скорости 128 кбит/с и проводить видеоконференции, т.е. все то, что обещает АТМ. И хотя скорости ISDN не столь велики, как обещанные АТМ, но все же достаточны для использования так называемого доступа на первичной скорости Е1 (PRA).

Отличительная особенность ISDN в том, что она использует готовую цифровую телефонную сеть, а стоимость адаптеров ISDN, как и аренда номеров, существенно ниже по сравнению с АТМ. Жаль, что распространению этой технологии, кроме указанных объективных причин, мешают ведомственные барьеры, не допускающие широкого использования корпоративных ISDN-решений, основанных на международных стандартах.

Технология SDH, (первые стандарты относятся к 1988 г.). Основной прогресс на цифровых сетях в нашей стране связан именно с ее использованием. Первые сети SDH появились в России в 1993 г. Их основными особенностями в то время были использование скорости 155 Мбит/c (уровень STM-1 в иерархии SDH), оптоволоконные кабели в качестве среды передачи и архитектура двойного кольца, позволяющая восстановить трафик за 50 мс после обрыва одного из волокон или выхода из строя одного из мультиплексоров.

Технология WDM. Этой технологии не больше 10 лет. В 1992 г. она позволяла объединять 2-4 оптические несущие, теперь - 160-240. Если каждая из несущих будет иметь в качестве мультиплексора доступа мультиплексор SDH уровня STM-64 (10 Гбит/с), то его максимальный поток составит 1,6-2,4 Тбит/с.

Развитие технологии WDM ведет к изменению модели взаимодействия основных транспортных технологий. До внедрения технологии WDM модель состояла из трех уровней и среды передачи и показывала, что для транспортировки трафика верхнего уровня (ATM, IP) через оптическую среду передачи он должен быть инкапсулирован в транспортные модули/сигналы STM-N/STS-n (OC-n), способные, используя физический интерфейс технологии SDH/SONET, пройти через физический уровень в оптическую среду передачи. Отсюда ясна необходимость создания технологий инкапсуляции ячеек АТМ, например в виртуальные контейнеры SDH (ATM over SDH) или в виртуальные трибы SONET (ATM over SONET), или пакетов IP в виртуальные трибы SONET (IP over SONET).

После появления систем WDM модель имеет три или четыре уровня, не считая среды передачи. Появился промежуточный уровень WDM, который, как и SDH/SONET, обеспечивает физический интерфейс, позволяющий через физический уровень выйти на оптическую среду передачи не только технологии SDH/SONET, но и технологиям ATM и IP.



1.4 Система мониторинга ВОЛС

Проблема надежности ВОЛС охватывает широкий круг вопросов и по своей сути является комплексной. Ее решение требует применения соответствующих методик оценки, расчета и контроля различных параметров оптических кабелей (ОК) и показателей надежности ВОЛС. Надежность ВОЛС зависит от различных конструктивно-производственных и эксплуатационных факторов. К первым относят факторы, связанные с разработкой, проектированием и изготовлением ОК и других вспомогательных изделий и устройств, входящих в состав ВОЛС. Ко вторым - все факторы, влияющие на надежность ОК в процессе его прокладки, монтажа и последующей эксплуатации.

Одна из важнейших задач - поддержание характеристик волокна на надлежащем уровне. Именно поэтому системы непрерывного мониторинга оптических волокон в ОК ВОЛС приобретают особую значимость при построении современных цифровых мультисервисных сетей.

Такие системы - системы дистанционного тестирования волокон RFTS (Remote Fiber Test System) - в настоящее время выпускаются рядом зарубежных компаний. Однако для практического применения подобных систем при построении больших протяженных сетей связи требуется серьезный сравнительный анализ возможностей различных систем RFTS и изучение проблемы их интеграции с системами информационной поддержки и управления такими сетями.

1.4.1 Функции системы RFTS

Важнейшей функции системы RFTS является то, что она постоянно автоматически ведет сбор и статистический анализ результатов тестирования оптических волокон сети. Статистический анализ с использованием корреляционных, многофакторных методов, а также современных нейросетевых методов дает возможность обнаруживать и прогнозировать неполадки волокна задолго до того, как они приведут к серьезным проблемам в сети.

На основе мониторинга сети при помощи RFTS можно проводить плановый и профилактический ремонт ОК в сети, не дожидаясь появления серьезных повреждений и аварий в кабельной системе.

Система RFTS значительно повышает безопасность сети - любое несанкционированное подключение к волокну неизбежно приводит к дополнительным потерям в оптическом канале, а значит, будет обнаружено и зафиксировано системой в реальном масштабе времени.

Другое не менее важное качество системы RFTS - графическое представление информации о состоянии сети. На центральном сервере системы установлена профессиональная ГИС, которая содержит точную электронную карту цифровой сети на местности. Вся информация о состоянии сети и документация по ОК хранится в базе данных SQL и может быть графически представлена на карте. Также на карту выводится полная информация о неисправностях волокон в ОК, включая их точное физическое местоположение.

Таким образом, система RFTS позволяет обслуживающему персоналу в реальном масштабе времени (практически мгновенно) узнавать, где произошел сбой и каков уровень потерь в волокне ОК ВОЛС. Это намного сокращает время поиска неисправностей и упрощает проведение профилактического обслуживания ВОЛС. Учитывая размеры современных цифровых волоконно-оптических сетей, важность и объемы передаваемой по ним информации, экономическую эффективность применения системы RFTS трудно переоценить.

1.4.2 Система RFTS в корпоративной сети связи

Установка системы RFTS на крупных корпоративных сетях, как было показано выше, сегодня уже не является роскошью. Более того, именно коммерческие соображения диктуют корпорациям и операторам связи необходимость постоянно следить за состоянием всей сети, проводить плановые обследования и документировать состояние оптических волокон в ОК сети. Это позволяет заранее выявлять места возможной деградации волокна и не допускать перерывов связи в сети, а в случае аварии ОК - получать оперативную информацию о месте и характере повреждения ОК и как можно быстрее устранять ее последствия.

Типичным примером крупной корпоративной сети является цифровая сеть связи АО "Мосэнерго". Эта крупнейшая энергокомпания России в течение ряда лет реализует проект создания единой информационной сети связи (ЕИСС), полностью охватывающей Москву и Московскую область. ЕИСС станет основой развития информатизации компании, а также будет использоваться в коммерческих целях при сотрудничестве с различными операторами связи. Цифровая первичная сеть связи, выполняющая функции транспортной сети, полностью базируется на волоконно-оптической инфраструктуре и цифровых системах передачи синхронной цифровой иерархии (СЦИ/SDH). При этом в пределах города такая сеть имеет разветвленную структуру и состоит из ВОЛС с ОК с достаточно большим числом оптических волокон (обычно до 32-х волокон).

В корпоративной сети, как правило, 4-8 волокон магистрального ОК образуют транспортную сеть (backbone), остальные волокна - либо темные, либо используются для построения вторичных сетей, а именно абонентских сетей доступа (“последних миль”). При наличии резервных маршрутов, например при кольцевой топологии сети, обрыв ОК не повлияет на передачу трафика в магистралях сети - он просто будет направлен по другому пути. Но абоненты, подключенные к сети через волокна поврежденного кабеля, связь потеряют, так как подключены без резервирования ОК. Подобная ситуация наблюдается также в процессе строительства сегментов ВОЛС большой корпоративной сети, которая некоторое время (иногда продолжительное) может не иметь резервирования по каналам связи, например, нет замыкания кольца SDH. В то же время поэтапное подключение узлов к сети связи вполне допустимо и часто происходит на практике.

Мониторинг волокон ОК в больших протяженных сетях связи крайне необходим и для прогнозирования ухудшения характеристик волокна, чтобы до появления необратимых изменений провести своевременный профилактический ремонт этих участков ВОЛС. В конечном итоге это намного дешевле, чем устранять последствия аварии ОК.

Для больших корпоративных сетей со сложной топологией и протяженными ВОЛС невозможно регулярно проводить полное тестирование всех ОК сети вручную. Постоянный мониторинг ОК большой разветвленной сети должен вестись дистанционно и непрерывно интеллектуальной автоматической системой с централизованным управлением. волоконный связь цифровой кабель

1.5 Монтаж оптического кабеля

Монтаж ОК - наиболее ответственная операция, предусматривается качество и дальность связи по волоконно-оптической линии передачи. Монтаж ОК должен обеспечивать надежные механические параметры сростки на резерв, вибрацию и требуемые нормы ограничения радиусов изгиба ОВ, работоспособность сростки в условиях длительного нахождения ОК в земле, в водоеме или телефонной канализации. Монтаж бывает двух видов: постоянный и временный.

Наиболее распространенным способом монтажа оптоволокна является соединение при помощи сварки, который относится к постоянному виду. Этот метод более надежный, стабильный и не вызывает больших затрат. Он пригоден к полевым условиям, так как не требует предварительной обработки торцевых поверхностей волокон. За счет высокой температуры (1600С), создаваемой дуговым разрядом, концы волокон плавятся и при прижиме друг к другу крепко соединяются. Потери в таком сочетании не превышают 0,1-0,3 дБ (min 0.05 дБ).

При монтаже муфты используется кассета с числом стержней, равное числу сращиваемых волокон. Сростки волокон крепятся на эбонитовую пластинку так, чтобы они не ощущали продольного влияния на разрыв. Армирующие элементы и жилы дистанционного питания соединяются напрямую, так, чтобы они воспринимали на себя растягивающее усилие, а ОВ вкладывают в виде петли.

В процессе монтажа ОК производят контрольные измерения. Основными измерительными приборами являются: рефлектометр и оптический тестер, которые контролируют затухание светового потока на измеряемом участке линии ОК.

На смонтированных регенерационных участках осуществляется измерение сопротивления изоляции внешней полиэтиленовой оболочки. Сопротивление изоляции полиэтиленовой внешней оболочки должно быть не меньше 2000 МОмкм до прокладки и не меньше 5 МОмкм после прокладки кабеля.

После электрических проверок осуществляют измерение затухания ОВ кабеля на всем участке. Затухание ОВ кабеля всего регенерационного участка должно отвечать норме указанной в проекте.



2. Специальная часть

При выполнении дипломного проектирования поставлены следующие задачи:

1) изучить основные особенности трассы ВОЛС;

2) подобрать телекоммуникационную технологию, в рамках которой будет работать магистральная система передачи;

3) выбрать оборудование;

4) экспериментально оценить основные параметры созданной линии.

Решение отмеченных выше задач позволяет достичь поставленной цели, а именно, - проектирования магистральной ВОЛС.

2.1 Организации, использующие данную линию связи

Рассматриваемая в данном дипломном проекте магистраль на участке Уфа - Самара будет обеспечивать передачу информации между Самарским информационно-вычислительным центром и его региональным ИВЦ Уфа, а также прилегающие к трассе ВОЛС районные центры.

Самарский информационно-вычислительный центр - структурное подразделение ГВЦ - филиала ОАО «РЖД» - предприятие, осуществляющее свою деятельность в сфере предоставления информационно-вычислительных услуг и обеспечивающее функционирование и дальнейшее развитие сложной компьютерной сети дороги.

Эксплуатируемые информационные технологии обеспечивают в режиме реального времени реализацию задач, связанных с управлением грузовыми и пассажирскими перевозками, продажей билетов на поезда, реализацией финансовых расчетов с клиентами, управления экономикой, материально-техническим снабжением и рядом других задач.

Самарский информационно-вычислительный центр связан прямыми каналами связи с соседними дорогами. Таким образом обеспечивается функционирование единой компьютерной сети в рамках железных дорог России, СНГ и стран Балтии.

Самарский информационно-вычислительный центр и его региональные ИВЦ в городах Пенза, Рузаевка, Уфа, Ульяновск, Сызрань готовы предложить заинтересованным лицам свои услуги в следующих областях:

1) разработка специализированного программного обеспечения по автоматизации взаимодействия заказчика с железной дорогой;

2) техническое обслуживание компьютерных систем;

3) ведение для заказчика автоматизированных расчетов в области бухгалтерского учета;

4) обеспечение информацией о подходе вагонов и грузов для клиента;

5) поиск вагонов на территории дорог России, стран СНГ и Балтии;

6) контроль за дислокацией вагонов клиента;

7) ведение электронного лицевого счета.

Уфимский региональный ИВЦ (РИВЦ) - структурное подразделение Самарского информационно-вычислительного центра, является предприятием железнодорожного транспорта. Основное назначение регионального центра - оказание информационно-вычислительных услуг на базе эксплуатации вычислительно техники, в разработке и реализации программного обеспечения, в обеспечении бесперебойной работы средств вычислительной техники и организация её ремонта.

Уфимский региональный центр состоит из 4-х отделов: отдела внедрения и сопровождения программ, отдела автоматизированного бухгалтерского учета, отдела технического обслуживания и отдела автоматизированных систем управления.



2.2 Проектирование магистрали

2.2.1 Основные особенности трассы ВОЛС

Между городами Уфа и Самара 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 4) видно, что очевиден единственный целесообразный вариант трассы. Это вариант прокладки кабеля вдоль автодороги Е-30, соединяющей г.Уфа и г.Самара. Общая длина магистрали составляет 460 км. Трасса магистрали прокладывается на расстоянии 30 - 60м. (в зависимости от конкретных условий местности) от оси автомобильной дороги.

Рисунок 4 - Карта местности

2.2.2 Технология передачи данных

Оценив по достоинствам и недостаткам технологии глобальных сетей, для проектирования ВОСП выбираем технологию SDH.

Сеть SDH строится по функциональным слоям, верхний занимает пользователь. Он является клиентом, которого обслуживает нижележащий сетевой слой. Тот, в свою очередь, выступает в роли клиента для следующего слоя и т.д. деление по слоям позволяет: внедрять и менять независимо друг от друга отдельные сетевые слои, часть которых может сохраняться при смене нескольких поколений технологий; иметь в каждом слое собственные ОАМ - средства для контроля и обслуживания передачи информации клиента и для борьбы с отказами, что повышает качество связи, минимизирует усилия при авариях и снижает влияние аварий на другие слои; выделять соответствующие объекты в системе TMN.

Важнейшими для последующего изложения являются сетевые слои (сверху вниз): каналов, трактов и секций (таблица 1).

Таблица 1 - Послойное строение сети СЦИ

Слой каналов	Сеть коммутации ОЦК
	Сеть коммутации пакетов
	Сеть аренды каналов
Слой трактов	Сеть трактов низшего ранга
	Сеть трактов высшего ранга
Слой среды передачи	Секции	Мультиплексные ОВ и радиорелейная сеть
	Физ. среда	Регенерационные ОВ и РРЛ сеть

Сеть каналов - слой, обслуживающий собственно пользователей. Их терминалы подключаются к комплектам оконечной аппаратуры SDH соединительными линиями (СЛ). Сеть каналов соединяет различные комплекты оконечной аппаратуры SDH через коммутационные станции (например, ЭАТС).

Группы каналов объединяются в групповые тракты различных порядков, образуя сеть трактов. Имеется два сетевых слоя трактов (сверху вниз по иерархии SDH) - низшего и высшего порядков. В каждом слое может осуществляться коммутация - с помощью аппаратуры оперативного переключения (АОП) трактов.

Групповые тракты организуются в линейные, построение которых зависит от среды передачи. Это сетевой слой среды передачи. Он подразделяется на два: слой секций (верхний) и слой физической среды. Линейные тракты SDH выполняют и часть функций аппаратуры группообразования (мультиплекса) - например, ввод и ответвление цифровых потоков. Сетевой слой секций разделяется на два. Верхним является слой мультиплексных секций (MS). Это ЛТ с частью функций мультиплекса. Нижний слой - слой регенерационных секций (RS).

Целостность информации клиента в пределах данного слоя сети обеспечивает "трасса" (trail). Это введённое в SDH понятие обобщает понятие каналов, трактов и секций. Трасса включает средства передачи сигналов и ОАМ - средства. Поступающая в каждый слой информация клиента проходит через точки доступа, лежащие на границах слоя. Сеть внутри слоя образуется звеньями, связывающими точки доступа напрямую или через другие звенья, соединяемые с данным звеном в точках внутри слоя.

Вначале поступающая информация адаптируется, т.е. согласуется с функциями передачи данного слоя. В канальном слое производится аналого-цифровое преобразование или преобразование непрерывно поступающей от пользователя цифровой информации в циклическую форму в канале 64 кбит/с; в слое трактов - группообразование; в слое секций несколько трактов высшего порядка объединяются между собой и с ОАМ - сигналами при вводе в цикле секции.

В каждом слое выполняются соединения звеньев - по принципу 1:1 или 1:N. Вместо громоздких и малооперативных кроссов, к которым подключаются действующие PDH - тракты, трассы SDH заканчиваются комплектами оперативного переключения цифровых трактов и секций, управляемыми в рамках SDH.

Каждый сетевой слой может содержать подсети, соединяемые между собой СЛ, например интернациональные, национальные, областные и т.д. это деление сети SDH по горизонтали дополняет вышеописанное деление по вертикали.

Отдельные элементы сети SDH (линейные тракты, мультиплекс, аппаратура ввода/вывода цифровых потоков и т.д.) оснащаются интерфейсами сетевых узлов (NNI), с помощью которых производятся соединения элементов. Параметры NNI оговариваются в Рек. G.708 (структура циклов), G.703 (электрические характеристики) и G.957 (оптические характеристики).

Для организации соединений в сетевом слое трактов образуются виртуальные контейнеры (Virtual Container, VC). VC -- это блочная циклическая структура с периодом повторения 125 или 500 мкс (в зависимости от вида тракта). Различают VC различного порядка -- для разных скоростей передачи, имеющие обозначения VC-11, 12, 2, 3, 4: VC содержит также заголовок, называемый "трактовым" (Path ОН, РОН).

Виртуальные контейнеры формируются и расформировываются в точках окончания трактов. Заголовок создаётся и ликвидируется в пунктах, в которых формируется и расформировывается VC-n (таблица 2), проходя транзитом секции. Он позволяет осуществлять контроль качества трактов "из конца в конец" и передавать аварийную и эксплуатационную информацию.

Таблица 2 - Перечень VC-n

VC - n	VC-11	VC-12	VC-2	VC-3	VC-4
Объём, Мбит/с	1.6	2.176	6.78	48.384	149.76
Сигналы ПЦИ Мбит/с	1.5	1.5 и 2	6	34 и 45	140

Тракты, соответствующие виртуальным контейнерам 1-го и 2-го уровня VC-11 и VC-12, относятся к трактам низшего порядка, а виртуальным контейнерам 3-его и 4-го уровней VC-3 и VC-4 - высшего.

VC-11, VC-12 и VC-2 относится к нижнему рангу, а VC-3 и VC-4 - к верхнему. Во второй строке таблицы показан их полезный "объём" т.е, предельная скорость нагрузки, а в нижней строке - скорости передачи сигналов ПЦИ (округленно), размещение которых стандартизировано в этих контейнерах.

VC-11, VC-12 и VC-2 относится к нижнему рангу, а VC-3 и VC-4 - к верхнему. Во второй строке таблицы показан их полезный "объём" т.е, предельная скорость нагрузки, а в нижней строке - скорости передачи сигналов ПЦИ (округленно), размещение которых стандартизировано в этих контейнерах.

Информация, определяющая начало цикла VC-n , обеспечивается обслуживающим сетевым слоем. VC-4 - виртуальный контейнер уровня 4 - элемент мультиплексирования СЦИ, который не разбивается по подуровням и представляет собой поле формата 9*261 байтов (содержит 9 рядов и 261 столбец). Первый столбец занимает POH , а остальные 2340 элементов - полезная нагрузка: при прямой схеме мультиплексирования - это контейнер C-4 (скорость передачи 2340 * 64 = 149760 кбит/с.), либо путем мультиплексирования нескольких групп TUG-2 и TU-3, а именно: VC-4 формируется как 1*C4 или 4*TU-31, или 3*TU-32, или 21*TUG-21, или 16*TUG-22.

VC-3 - виртуальный контейнер уровня 3 - элемент мультиплексирования СЦИ, который разбивается на два виртуальных контейнера: VC-31 и VC-32 - поля формата 9*65 байтов - для VC-31, и поля формата 9*85 байтов - для VC-32; полезная нагрузка VC-3 формируется либо из одного контейнера С-3 (прямой вариант схемы мультиплексирования), либо путем мультиплексирования нескольких групп TUG-2, а именно: VC-31 формируется как 1*С31 или 4*TUG-22, или 5*TUG-21; VC-32 формируется как 1*С32 или 7*TUG-22. Контейнер C-3 имеет 84 столбца и выдаёт полезную нагрузку 84 * 9 * 64 = 48384 кбит/с. Виртуальные контейнеры верхних уровней VC-3,4 позволяют сформировать соответствующие административные блоки.

2.2.3 Выбор оборудования

1) Оптический кабель

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 4Ч24 E 9/125 0,36 F 3,5+0,24 H 18LG. Дадим расшифровку буквенных и цифровых обозначений:

А - линейный кабель;

D - модуль многоволоконный, заполненный;

F - гидрофобное заполнение;

ZN - неметаллический усилительный элемент;

2Y - полиэтиленовая оболочка;

4 - количество модулей;

24 - 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;

0,24 - 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 6км, для обеспечения минимального затухания на линии.

2) Система мониторинга ОК

Автоматизированные системы непрерывного мониторинга ОК сетей связи выпускаются рядом зарубежных компаний. В настоящее время на российском рынке представлены четыре системы RFTS, выпускаемые ведущими мировыми производителями подобного оборудования:

- AccessFiber (компания Agilent Technologies, бывшая Hewlett-Packard, HP);

- Atlas (компания Wavetek Wandel&Goltermann);

- FiberVisor (компания EXFO);

- Orion (компания GN Nettest).

Таблица 3

Функции\Система	AccessFiber	Atlas	FiberVisor	Orion
	Agilent Technologies (HP)	Wavetek Wandel& Goltermann	EXFO	GN Nettest
Мониторинг активных (занятых) волокон	+	+	+	+
Тестирование в ручном режиме по запросу	+	+	+	+
Тестирование по заданному расписанию	+	+	+	+
Функция документирования	+	+	+	+
Интеграция с электронной картой ГИС	Mapinfo	Mapinfo	InterGraph (функция импорта других форматов)	Mapinfo
Архитектура “клиент-сервер”	На платформе Windows NT	На платформе Windows NT, Unix	На платформе Windows NT	На платформе Unix
Организация многоуровневого доступа к системе	+	+	+	+
Поддержка удаленного доступа к серверу TSC	-	-	+	+
Поддержка функции статистического анализа характеристик ОВ	+	+(с построением графиков)	+	+
Локальное конфигурирование и управление блоком RTU	-	-	+	+(необходим Notebook или ПК)
Автономная работа модуля RTU при потере связи с сервером	+	+	+	+
Готовые решения для мониторинга DWDM сигналов и PMD	-	-	+(модули OSA и, PMD)	-
Поддержка протокола SNMP	-	-	+	н/д

Сравнительный анализ различных систем RFTS (таблица 3) показывает, что для практического применения лучшими в функциональном и техническом плане являются системы FiberVisor (EXFO), Orion (GN Nettest) и Atlas (Wavetek Wandel&Goltermann). С учетом требований расширяемости, масштабируемости и возможности интеграции с различными ГИС предпочтение следует отдать системе FiberVisor (EXFO).

3) Мультиплексор/Демультиплексор

MLink-STM 16/64 - интеллектуальная система оптической передачи данных нового поколения, которая специально разработана для обеспечения связи уровня города (MAN). MLink-STM 16/64 объединяет в себе технологии синхронной цифровой иерархии (SDH), волнового уплотнения (WDM), передачи Ethernet, асинхронной передачи данных (АТМ), плезиохронной цифровой иерархии (PDH).