Реконструкция волоконно-оптической линии связи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

Глава 1. Реконструкция волоконно-оптической линии связи

1.1 Общая характеристика оптоволоконных систем связи

1.2 Этапы развития ВОЛС

1.3 Преимущества и недостатки ВОЛС

1.4 Типы оптических волокон

1.5 Эксплуатационные измерения на ВОСП

1.6 Системы автоматического мониторинга

Глава 2. Модернизация волоконно-оптической сети с. Ссёлки Липецкого района

2.1 Краткая характеристика предприятия

2.2 Старая схема оборудования электросвязи

2.3 Реконструкция волоконно-оптической сети с. Ссёлки Липецкого района

Глава 3. Организационно-экономическая часть

Глава 4. БЖД

Заключение

Список литературы



Введение

На участке Липецкого района села Ссёлки в качестве оконечного мультиплексора применен мультиплексор фирмы «Alсatel» типа 1651 SM - мультиплексор ввода/вывода уровня STM-4 SDH.

Используемый в настоящее время мультиплексор не удовлетворяет растущим потребностям клиентов в пропускной способности волоконно-оптической линии связи. Так как объем передаваемой информации постоянно возрастает, необходимо увеличить скорость передачи сигналов по ВОЛС путем реконструкции, которая заключается в замене приемопередающего оборудования STM-4 SDH на SDH16.

Цель дипломного проекта - реконструкция линии связи в селе Ссёлки Липецкой области.

Перед исполнителем дипломной работы поставлены следующие задачи:

изучить конструкцию и параметры ВОЛС в селе Ссёлки Липецкой области;

оценить существующую линию связи в селе Ссёлки Липецкой области;

изучить возможные варианты реконструкции ВОЛС и выделить наиболее эффективный.



Глава 1. Реконструкция волоконно-оптической линии связи

1.1 Общая характеристика оптоволоконных систем связи

Волоконно-оптическая связь - вид проводной электросвязи, использующий в качестве носителя информационного сигнала электромагнитное излучение оптического (ближнего инфракрасного) диапазона, а в качестве направляющих систем - волоконно-оптические кабели. Благодаря высокой несущей частоте и широким возможностям мультиплексирования, пропускная способность волоконно-оптических линий многократно превышает пропускную способность всех других систем связи и может измеряться терабитами в секунду. Малое затухание света в оптическом волокне обуславливает возможность применения волоконно-оптической связи на значительных расстояниях без использования усилителей. Волоконно-оптическая связь свободна от электромагнитных помех и недоступна для несанкционированного использования - перехватить сигнал, передаваемый по оптическому кабелю, невозможно.

В основе волоконно-оптической связи лежит явление полного внутреннего отражения электромагнитных волн на границе раздела диэлектриков с разными показателями преломления. Оптическое волокно состоит из двух элементов сердцевины, являющейся непосредственным световодом, и оболочки. Показатель преломления сердцевины несколько больше показателя преломления оболочки, благодаря чему луч света, испытывая многократные переотражения на границе сердцевина-оболочка, распространяется в сердцевине, не покидая её.

Волоконно-оптическая связь находит всё более широкое применение во всех областях - от компьютеров и бортовых космических, самолётных и корабельных систем, до систем передачи информации на большие расстояния, например, в настоящее время успешно используется волоконно-оптическая линия связи Западная Европа - Япония, большая часть которой проходит по территории России. Кроме того, увеличивается суммарная протяжённость подводных волоконно-оптических линий связи между континентами.

Волокно в каждый дом (англ. Fiber to the premises, FTTP или Fiber to the home, FTTH) - термин, используемый телекоммуникационными провайдерами, для обозначения широкополосных телекоммуникационных систем, базирующихся на проведении волоконного канала и его завершения на территории конечного пользователя путём установки терминального оптического оборудования для предоставления комплекса телекоммуникационных услуг, включающего:

высокоскоростной доступ в Интернет;

услуги телефонной связи;

услуги телевизионного приёма. [10, с. 90]

Стоимость использования волоконно-оптической технологии уменьшается, что делает данную услугу конкурентоспособной по сравнению с традиционными услугами. Прогноз KMI Research оценивает объём рынка FTTP, включая оборудование, кабельные системы в 28 миллиардов рублей к 2009 году.

С каждым годом оптоволокно, оптоволоконные системы связи все больше вытесняют привычные кабельные (коаксиальные, витые пары) средства связи и передачи информации. Оптоволокно -- это стеклянная или пластиковая нить, используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения. [17]

Оптоволоконные средства связи - это вид связи, при котором информация передается по оптическому проводнику с помощью световых импульсов. Оптический проводник состоит из сердцевины (более плотного кварцевого стекла), по которой, собственно говоря, и передается информация, внешней оболочки (менее плотного кварцевого стекла) и защитного слоя. Главными же источниками светового сигнала являются либо светодиоды, либо лазеры.

Главным преимуществом использования оптоволоконной системы связи является высокая скорость передачи информации, которая равна 1Тбит/сек (т.е. одновременно можно передавать телефонные звонки 10 млн человек + еще 1 млн. видеосигналов), что особенно важно при построении высокоскоростной сети интернет. [4, с. 100]

В последние годы оптоволоконные системы стали чаще применяться для высокоскоростной передачи аналоговых и цифровых видеосигналов не только в системах кабельного телевидения, но и в территориально-распределенных системах видеонаблюдения. Обладая низкими потерями, оптоволоконная линия связи способна транслировать видеосигналы на расстояния до десятков километров без использования промежуточных усилителей. Как правило, частота передачи видеосигнала через оптоволоконные системы составляет более 10 миллиардов бит/с и, в ряде случаев, может превышать потребности в скорости и объеме передаваемой информации, необходимой для решения конкретных задач видеонаблюдения. Поэтому оптоволоконные системы чаще всего используются на особо ответственных объектах видеонаблюдения, либо для передачи больших объемов информации, в том числе и видеосигналов. [5, с. 90]

Современное оптоволокно, используемое в оптоволоконных системах, представляет собой прозрачные стеклянные волокна, которые проводят свет от одного конца до другого с минимальными потерями, благодаря эффекту полного внутреннего отражения. Конструктивно, такое оптоволокно состоит из ядра, оптической оболочки и защитной оболочки. Ядро и оптическая оболочка обычно выполнены из стекла, реже - пластика, защитная оболочка, как правило, из пластика. Ядро оптоволокна пропускает световой сигнал, а оптическая оболочка обеспечивает полное внутреннее отражение света в ядре и его прохождение по всей длине. Защитная оболочка предназначена для защиты ядра и оптической оболочки от внешних воздействий. Толщина оптоволокна сопоставима с толщиной человеческого волоса (125 мкм - оптоволокно, 85 мкм - волос).

Как правило, оптоволоконная система включает передатчик видеосигнала, преобразующий электрические видеосигналы в оптическое излучение, приемник видеосигнала, преобразующий оптическое излучение обратно в электрические видеосигналы и собственно оптическое волокно, соединяющее передатчик и приемник. Обладая чрезвычайно низкими потерями, оптоволоконные системы могут передавать видеосигналы на расстояния до нескольких десятков километров без использования промежуточных усилителей, намного превосходя по этому параметру коаксиальные и проводные системы передачи видеосигналов. Другой особенностью оптоволоконных систем является их высокая пропускная способность, которая обусловлена высокой частотой колебаний световых волн, распространяющихся по оптоволокну. Скорость передачи видеосигналов через оптоволоконные системы ограничивается только пропускной способностью передающего и приемного модуля системы, и может составлять более 10 миллиардов бит/с.

Все оптоволоконные системы имеют примерно одинаковую структуру. На передающем конце оптоволоконной линии находится светодиод или лазерный диод, излучение которого модулируется по амплитуде передаваемым сигналом, поступающим от источника информации. В качестве передаваемого сигнала может выступать видеосигнал от телекамеры, сигнал управления поворотным устройством телекамеры, аудиосигнал и другие сигналы, подлежащие передаче. Прежде чем направить такой сигнал на излучающий светодиод, он предварительно модулируется в амплитудном, частотном или импульсном модуляторе. Использование в оптоволоконной системе такого модулятора в передатчике в паре с демодулятором приемника позволяет одновременно передавать по оптоволокну несколько сигналов различного типа. [18]

При передаче световое излучение лазерного диода модулируется по яркости в такт с передаваемым сигналом модулятора. Оптическое излучение передается по оптоволоконной линии на приемный модуль, где установлен фотодиод, преобразующий модулированный по яркости свет в электрические колебания. После детектирования модулированного оптического видеосигнала он поступает на демодулятор, который разделяет принятый комбинированный сигнал на сигналы отдельных передаваемых каналов. Вид модуляции оптического сигнала и количество одновременно передаваемых по оптоволоконной линии сигналов выбирается, исходя из решения конкретных технических задач.

Одним из преимуществ, отличающих оптоволоконные системы, является абсолютная защищенность оптоволокна от электрических помех, наводок и полное отсутствие излучения во вне. Это объясняется тем, что в оптическом канале связи для передачи информации используется световой сигнал, никак не взаимодействующий с электромагнитными полями, а само оптоволокно является диэлектриком и по своей природе не может никак взаимодействовать с электрическими и магнитными полями. Несмотря на чрезвычайно малый диаметр, оптическое волокно может выпускаться в прочной внешней оболочке, выдерживающей большие механические нагрузки, а также гарантирующей длительную работу в сырых помещениях и агрессивных средах. Некоторые типы оптических кабелей допускают их прокладку непосредственно в земле, что резко удешевляет и ускоряет монтажные работы. Все оптоволоконные системы отличаются повышенным уровнем безопасности, так как передаваемый сигнал не излучается за пределы оптического волокна и к нему невозможно подключиться для несанкционированного перехвата.

Для передачи по одному оптоволокну одновременно нескольких независимых сигналов применяются методы временного и частотного уплотнения сигналов. Для этого в оптоволоконные системы наиболее часто устанавливают оптические мультиплексоры с частотным (спектральным) разделением каналов, которые объединяют несколько передаваемых сигналов в один. Каждый источник сигнала передается лучами с различными длинами волн. Эти лучи проходят по оптоволоконной линии независимо и не взаимодействуют друг с другом. Такой вид модуляции называется WDM (wavelength division multiplexing). Он повышает пропускную способность оптоволоконной системы и позволяет осуществлять одновременную двунаправленную передачу информации. [8, с. 44]

Другие виды модуляции оптического сигнала, которые используют оптоволоконные системы:

частотно модулированное частотное мультиплексирование FM-FDM (frequency-modulated frequency division multiplexing),

амплитудная модуляция с частично подавленной боковой полосой, частотное мультиплексирование AVSB-FDM (amplitude vestigial sideband modulation, Frequency division multiplexing) - обеспечивает одновременную передачу по одной оптоволоконной линии до 80 каналов.

Существует несколько типов оптических волокон, обладающих различными свойствами. Они отличаются друг от друга зависимостью коэффициента преломления от радиуса центрального волокна. На рисунке 1 показаны три разновидности волокна (А, Б и В). Буквами А и Б помечен мультимодовый вид волокон. Тип Б имеет меньшую дисперсию времени распространения и по этой причине вносит меньшие искажения формы сигнала. Установлено, что, придавая световым импульсам определенную форму (обратный гиперболический косинус), дисперсионные эффекты можно полностью исключить. При этом появляется возможность передавать импульсы на расстояние в тысячи километров без искажения их формы. Такие импульсы называются солитонами. При современных же технологиях необходимо использовать повторители через каждые 30 км (против 5 км для медных проводов). По сравнению с медными проводами оптоволоконные кабели несравненно легче. Так одна тысяча скрученных пар при длине 1 км весит 8 тонн, а два волокна той же длины, обладающие большей пропускной способностью, имеют вес 100кг. Это обстоятельство открывает возможность укладки оптических кабелей вдоль высоковольтных линий связи, подвешивая или обвивая их вокруг проводников.

Рисунок 1 - Разновидности оптических волокон, отличающиеся зависимостью коэффициента преломления от радиуса

Б уквой В помечен одномодовый вид волокна (понятие мода связано с характеромраспространения электромагнитных волн). Мода представляет собой одно из возможных решений уравнения Максвелла. В упрощенном виде можно считать, что мода - это одна из возможных траекторий, по которой может распространяться свет в волокне.

Для стационарных каналов оптоволоконный кабель не имеет конкурентов. Но при формировании каналов в городе, где требуется лицензия на прокладку и разрешение для использования канализации, все становится не так просто. При расстояниях до 1-5 км во многих случаях становятся привлекательны каналы с открытым лазерным лучом. Ниже приведена таблица, где сравниваются параметры различных беспроводных систем. [19]



Таблица 1 - Беспроводные телекоммуникационные системы

Беспроводные телекоммуникационные системы
	Широкополосные системы	Оптические каналы	Радиорелейные системы
Скорость передачи	Несколько Мбит/c	? 155 Мбит/c	До 155 Мбит/c
Максимальное расстояние	Несколько км	? 2 км	? 50 км
Угроза подключения	высокая	Крайне высокая	Очень высокая
Проблемы интерференции	имеются	отсутствуют	малые
Интерфейсы	10/100 MbpsEthernet	E1, волоконный стандарт, FE, GE	E1, STM-1 Eth, FE
Точность настройки	малая	Очень высокая	средняя
Разрешение на применение	Лицензия не требуется	Лицензия не требуется	Нужна лицензия PTT
Относительная стоимость	? 5200 €	? 6000 €	? 26000 €

Таблица 2 - Приемо-передающее оборудование

	LED-LINK 300	LaserLink 4E1/300
Рекомендуемое расстояние [m]	< 300	< 300
Полоса пропускания [Mbps]	2-43	4*2,048
BER	? 10-9	? 10-6
Передатчик	IP-LED	IP-LED
Передаваемая мощность [мВт]	50/60	50/60
Расходимость луча [мрад]	<10	<10
Динамический диапазон [дБ]	>30 (1:1000)	>40 (1:10000)
Сетевой интерфейс	Мультимодовое волокно	4*E1, G.703
Диаметр волокна [мкм]	50-60/120	-
Длина волны (RX) [нм]	780..900	-
Длина волны (TX) [нм]	850	-
Рабочая температура 0C	-20?+50	-20?+50

В качестве принимающего устройства используются PIN-диоды или лавинные фотодиоды (APD).



Таблица 3 - Принимающие устройства

	AirLaser IP100	AirLaser IP1000
Максимальная дальность [м]	2000	1000
Скорость передачи [Мбит/c]	125	1250
Передатчик	2/4 VCSEL	4 VCSEL
Мощность [мВт]	2/4*7,5	4*7,5
Апертура [см2]	2/4*28,25	4*28,25
Расходимость [мрад]	2
Динамический диапазон [дВ]	36	30
Приемник	PIN/APD	APD
Чувствительность [дБм]	-33/-43	-33
Длина волны [нм]	1300	SX:850, LX:1300
Стандарт	100BaseFX (IEEE 802.3u)	1000BaseSX/LX (IEEE802.3z)
Рабочая температура [0 C]	(-25 +50)	(-25 +50)
Потребляемая мощность [Вт]	27	35

Оконцовка и соединение волоконно-оптических кабелей представляют собой довольно сложную техническую задачу, оптимальное решение которой определяет эффективность всего проекта в целом.

Особенно это ощутимо при соединении группы зданий, поскольку свободные манипуляции с магистральным волоконно-оптическим кабелем затруднены и, согласно техническим требованиям недопустимы, для дальнейшей разводки после ввода необходимо осуществить подключение кабеля к соединительному оборудованию. Для его подключения могут использоваться так называемые пигтейлы (pigtail -, буквально, свиной хвост, который представляет собой отрезок оптического световода, на одном конце которого устанавливается коннектор, а другой остается свободным). Этот свободный конец соединяется с кабелем, путем реализации неразъемного соединения, преимущественно сварного. Для его осуществления требуется произвести разделку и зачистку кабеля, далее заделку кабеля и волокон (поскольку преимущественно приходится иметь дело с кабелями со свободным буфером), подготовку торцов и контроль их качества, состыковку и, непосредственно, сварку с последующим контролем качества шва и оптических характеристик соединения, и укладку соединений в специальные кассеты или муфты, чтобы предохранить их от повреждений. Ко всему этому следует добавить вполне возможное несоответствие полученных параметров норме или просто ошибки, что влечет за собой повторение процедуры.

Все перечисленные операции требуют привлечения специально подготовленного персонала, обучение которого - довольно дорогостоящее, а также специального оборудования и инструмента, стоимость которых также весьма существенна, что и определяет высокий уровень затрат на прокладку и подключение кабеля. [20]

Альтернативой может служить использование кабелей с установленными производителем коннекторами. Но такое решение не вполне пригодно для прокладки кабеля в кабельных каналах, поскольку сами по себе коннекторы при сравнении с оптическими волокнами являются довольно объемными. Эти коннекторы заключаются в специальные тяговые протекторы, то есть на конце кабеля имеется довольно объемистая конструкция, диаметр которой во много раз превосходи диаметр кабеля. Для протяжки такого кабеля потребуется, соответственно, большее пространство и большие усилия.

Некоторые компании, в частности BICC Brand Rex, предлагают упрощенную технологию подключения магистральных волоконно-оптических кабелей. Она по праву может считаться технологией plug-and-play и представляет готовое решение указанной проблемы для небольших проектов при соединении нескольких зданий и реализации вертикальной разводки. Основу ее составляет применение устанавливаемых производителем на соответствующие кабели МТ или MTP коннекторов, посредством которых осуществляется соединение 4, 8 или 12 оптических волокон, и коммутационных панелей (так называемых патч-панелей или кросс-панелей), оснащенных, веерообразной сборкой соединительных кабелей (fanout unit) со вторым коннектором. На концах соединительных кабелей устанавливаются стандартные ST, FC или SC коннекторы.

Рисунок 2 - Принцип применения технологии MT

Прокладка и подключение волоконно-оптических кабелей с МТ или MTP, коннекторами установленными производителем, не требуют применения специального инструмента и привлечения квалифицированного персонала, поскольку нет необходимости производить оконцовку кабеля. При этом обеспечиваются высокие характеристики соединения. Возможна прокладка в помещениях и вне помещений при соединении нескольких зданий магистральным кабелем и реализации вертикальной разводки.
Опыт применения этой технологии во многих странах многократно подтверждает высокую надежность и другие преимущества ее использования, за счет чего обеспечивается недорогой, быстрый и эффективный монтаж волоконно-оптических кабелей. [11, с. 88]

1.2 Этапы развития ВОЛС

В своем развитии ВОЛС прошли несколько этапов, решались фундаментальные проблемы, интенсивно развивалась наука и технология.

Большая часть проблем и одновременно основные достижения и возможности ВОЛС связаны с двумя элементами систем: волоконными световодами и лазерами. В развитии оптических систем разработчики стремились реализовать два принципа: «быстрее» и «дальше». [6, 123]

1 этап

В середине 70-х годов XX века появились полупроводниковые лазеры и волоконные световоды с небольшим затуханием. Первые лазеры для ВОЛС имели длину волны излучения 0,85 мкм (первое окно прозрачности волокна) и невысокую эффективность; волоконные световоды были многомодовыми и имели затухание в несколько дБ/км. Поэтому ВОЛС хотя и показали преимущества перед системами на медных проводах, но имели скорости и расстояния передачи далекими от ожидаемых. Увеличению скорости передачи в первых ВОЛС мешала временная дисперсия прохождения оптического сигнала по волоконному тракту.

Первые волоконные световоды (многомодовые со ступенчатым профилем показателя преломления) из-за большой межмодовой дисперсии имели полосу пропускания не более 20 МГц х км. Эта проблема была достаточно быстро решена разработкой многомодовых волоконных световодов с градиентным профилем показателя преломления, которые обеспечили увеличение полосы пропускания до 160 МГц х км.

2 этап

Следующим этапом развития ВОЛС стало увеличение дальности передачи информации. Для этого было необходимо снизить величину затухания оптического сигнала в волоконном тракте. Разработка приемопередающей аппаратуры, работающей во втором (1,3 мкм) спектральном диапазоне (окне), позволила снизить затухание в многомодовых волокнах с 3 дБ/км (0,85 мкм) до 1 дБ/км (1,3 мкм). Одновременно у многомодовых волокон повысилась и полоса пропускания до 500 МГц х км.

3 этап

Дальнейшее развитие ВОЛС в направлении „быстрее и дальше“ связано с одномодовым этапом истории ВОЛС. Одномодовые волокна позволили значительно повысить скорость передачи информации за счет отсутствия межмодовой дисперсии, а переход в третье спектральное окно (1,55 мкм) позволил снизить потери в одномодовых волокнах с 0,35 дБ/км (1,31 мкм) до 0,2 дБ/км (1,55 мкм).

Открывшиеся возможности по наращиванию скорости и дальности передачи информации привели к значительному прогрессу цифровых систем передачи информации (сети синхронной цифровой иерархии -- SDH). Потребность в развитии таких систем была очень высокой, так как объем передаваемого трафика непрерывно увеличивался, и это стимулировало работы по дальнейшему совершенствованию ВОЛС. Было показано, что увеличению скорости и дальности передачи информации в одномодовых системах препятствует хроматическая дисперсия в волокнах. Эта проблема была успешно решена при разработке оптических волокон с нулевой дисперсией в области длин волн 1,31 мкм (волокна типа G.652) и смещенной в области длин волн 1,55 мкм нулевой дисперсией (волокна типа G.653). Для увеличения дальности передачи информации стали использоваться регенераторы сигнала, которые преобразовывали оптический сигнал в электрический, восстанавливали его форму, а затем формировали оптический сигнал для дальнейшего прохождения по волоконному тракту.

4 этап

Следующий этап - использование оптических усилителей (ОУ), которые позволили эффективно увеличить дальность передачи. ВОЛС с оптическими усилителями и волокном G.653 обеспечивали передачу информации со скоростями до 40 Гбит/с на расстояние более ста километров.

Разработанные ОУ открыли важнейший этап в развитии волоконно-оптической связи - появились системы со спектральным уплотнением. В них используется такое свойство волоконных систем, как возможность независимой передачи информации на разных длинах волн, в разных каналах. Первые ВОЛС со спектральным уплотнением работали в разных спектральных окнах (1,31 мкм и 1,55 мкм). Но системы со спектральным уплотнением наиболее эффективны в третьем спектральном окне (1,55 мкм), так как в этом случае один ОУ усиливает все информационные каналы, расположенные в окне. [8, с. 67]

Реализация уникальных возможностей таких систем (плотного спектрального уплотнения - DWDM и высокоплотного спектрального уплотнения - HDWDM), в свою очередь, потребовала решения еще одного ряда фундаментальных задач.

Во-первых, это проблема четырехволнового смешения. Наиболее эффективный путь построения ВОЛC со спектральным уплотнением -- увеличение числа каналов. При увеличении дальности передачи приходится усиливать оптические сигналы в каждом канале, и при большой суммарной мощности в волокне начинают проявляться нелинейные эффекты. Для DWDM-систем наиболее существенным является эффект четырехволнового смешения, когда в спектре сигнала появляются нежелательные составляющие, перекрестные помехи. При спектральном способе дешифрации оптических сигналов это может привести к значительным ошибкам в передаче информации. Четырехволновое смешение наиболее сильно сказывается в случае равенства скоростей распространения оптических сигналов в каналах. По этой причине оптические волокна со смещенной нулевой дисперсией (G.653) не используются в DWDM-системах, а для уменьшения влияния четырехволнового смешения были разработаны волокна со смещенной ненулевой дисперсией (G.655) и технология компенсации хроматической дисперсии.

Во-вторых, кроме специальных оптических волокон для DWDM-систем были разработаны высокостабильные лазеры с узкой спектральной линией, а также спектральные мультиплексоры/демультиплексоры. Этот цикл работ потребовал значительного продвижения в физике и технологии лазеров и интегрально-оптических схем.

Дальнейшее развитие ВОЛС шло как по пути увеличения числа сравнительно «низкоскоростных» (несколько Гбит/с) каналов в DWDM- и HDWDM-системах, так и по пути дальнейшего увеличения скорости передачи информации в информационном оптическом канале. В настоящее время серийно выпускаются системы со скоростью передачи 40 Гбит/с, ведутся эксперименты на 100 Гбит/с. Однако уже на скоростях более 10 Гбит/с появляются ограничения, связанные еще с одним видом временной дисперсии -- поляризационно-модовой дисперсией (PMD). Решение этой проблемы потребовало проведения фундаментальных исследований и значительного продвижения в области технологии изготовления волоконных световодов и оптических кабелей, монтажа линии и контроля параметров тракта.

5 этап

В последнее время повышенное внимание уделяется не только высокоскоростным магистральным ВОЛС, но и локальным системам. Массовые локальные волоконно-оптические системы передачи должны обеспечить загруженность региональных и магистральных ВОЛС, повысить эффективность волоконно-оптических сетей связи. При этом целесообразно использовать многомодовые волоконные световоды. Появление новых высокоэффективных лазеров для локальных сетей позволяет значительно повысить скорость и дальность передачи информации в ВОЛС на основе многомодовых волокон. Однако при этом появляется проблема «центрального провала» в многомодовых волокнах, связанная с несовершенством технологии изготовления заготовок для этих световодов. Значительные отклонения профиля показателя преломления от оптимального в центре волокна вызывали резкое увеличение дисперсии в случае использования современных лазеров. Эта проблема многомодового волокна была решена, что открыло новые возможности в развитии локальных ВОЛС и волоконно-оптических систем в целом.

Решение фундаментальных проблем было подкреплено развитием сопутствующих технологий, которые и обеспечили продвижение ВОЛС к потребителям по пути «быстрее-дальше». Наиболее существенные успехи наблюдались в технологии производства волоконных световодов и кабелей. Промышленность производит все необходимые виды оптических волокон и кабелей, обеспечивающие самые высокие параметры ВОЛС. При этом рост производства оптических волокон беспрецедентен: с 6,9 млн. км в 1990 г. до 76,6 млн. км в 2000 г. - в 11 раз. Современные технологии монтажа и измерения параметров волоконного тракта полностью соответствуют высокому уровню современных ВОЛС. Достаточно сказать, что сварочные аппараты, например, FSM-40S, обеспечивают эффективный монтаж волоконного тракта с потерями в месте сварки менее 0,02 дБ. Благодаря этому, а также развитию высоких технологий производства оптических передатчиков и приемников, сетевых технологий и технологий спектрального уплотнения и обеспечены высочайшие темпы развития ВОЛС. [10, 156]

1.3 Преимущества и недостатки ВОЛС

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) - это система передачи данных, при которой информация передается по оптически прозрачным диэлектрическим волноводам, называемым «оптическое волокно».

Волоконно-оптическая сеть - это информационная сеть, связующими элементами между узлами которой являются волоконно-оптические линии связи.

Передача информации по ВОЛС имеет целый ряд достоинств перед передачей по медному кабелю. Стремительное внедрение в информационные сети оптических линий связи является следствием преимуществ, вытекающих из особенностей распространения сигнала в оптическом волокне.

Рассмотрим преимущества ВОЛС. Эта линия связи имеет широкую полосу пропускания, что обусловлено чрезвычайно высокой частотой несущей 1014 Гц. Так как средой передачи является свет, такая полоса позволяет передовать по одному оптическому волокну поток информации несколько терабит в секунду. Большая полоса пропускания - это одно из наиболее важных преимуществ оптического волокна над медной или любой другой средой передачи информации.

Малое затухание светового сигнала в волокне. Оптическое волокно имеет затухание 0,2-0,3 дБ на длине волны 1,5 мкм в расчете на один километр. Малое затухание и небольшая дисперсия позволяют строить участки линий без ретрансляторов протяженностью до 100 км и более. Низкий уровень шумов в волоконно-оптическом кабеле позволяет увеличить полосу пропускания. Поскольку волокно изготовлено из диэлектрического материала, оно не восприимчиво к электромагнитным помехам, т.е. ВОЛС обладает высокой помехозащищенностью. Волоконно-оптические кабели (ВОК) имеют малый вес и объем по сравнению с медными проводами в расчете на одну и ту же пропускную способность. Поскольку ВОК практически не излучает в радиодиапазоне, то передаваемую по нему информацию трудно подслушать, не нарушая приема-передачи. ВОЛС имеют также, гальваническую развязку элементов, что позволяет без проблем соединять здания подключенные к разным подсистемам.

Волокно позволяет избежать электрических “земельных петель”, которые могут возникать, когда два сетевых устройства неизолированной вычислительной сети, связанные медным кабелем, имеют заземление в разных точках здания. При этом может возникнуть большая разность потенциалов, что способно повредить сетевое оборудование. Для волокна такой проблемы просто нет. Из-за отсутствия искрообразования оптическое волокно повышает безопасность на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного риска. Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а поэтому не дорогого материала. В настоящее время стоимость волокна по отношению к медной паре соотносится как 2:5. При этом ВОК позволяет передавать сигналы на значительно большие расстояния без ретрансляции. Количество повторителей на протяженных линиях сокращается при использовании ВОК. При использовании солитонных систем передачи достигнуты дальности в 4000 км без регенерации (то есть только с использованием оптических усилителей на промежуточных узлах) при скорости передачи выше 10 Гбит/с.Со временем волокно испытывает деградацию. Это означает, что затухание в проложенном кабеле постепенно возрастает. Однако, благодаря совершенству современных технологий производства оптическмх волокон, этот процесс значительно замедлен и срок службы ВОК составляет примерно 25 лет. За это время может смениться несколько поколений/стандартов приемно-передающих систем. [15, с. 231]

Несмотря на преимущества волоконно-оптические сети имеют и недостатки. Например, высокую стоимость интерфейсного оборудования. Цена на оптические приемники и передатчики остается довольно высокой. При создании оптической линии связи требуется высоконадежное специализированное пассивное коммутационное оборудование, оптические соединители с малыми потерями, оптические разветвители, аттенюаторы. Стоимость работ по монтажу, тестированию и поддержке волоконно-оптических линий связи также остается высокой. При повреждениях ВОК необходимо осуществлять сварку волокон в месте разрыва и защищать этот участок кабеля от воздействия внешней среды. Правда, в противовес необходимо сказать, что производители поставляют на рынок все более совершенные инструменты для монтажных работ.

Теоретически предел прочности оптического волокна на разрыв выше 1 ГПа (109Н/м2), но в действительности оно имеет микротрещины, что уменьшает его прочность. Для повышения надежности оптическое волокно покрывается специальным лаком на основе эпоксиакрилата, а сам кабель упрочняется нитями на основе кевлара, либо стальным тросом или стеклопластиковыми стержнями, а иногда и тем и другим одновременно.



1.4 Типы оптических волокон

Потребность в увеличении полосы пропускания и дальности передачи сигнала привела к необходимости применения одномодового оптического волокна, т. е. волокна со ступенчатым профилем показателя преломления, диаметр сердцевины и соотношение показателей преломления сердцевины и оболочки которого выбраны таким образом, что в нем может распространяться только одна мода (рис. 3). [4, с. 100]

Рисунок 3 - Структура одномодового оптического волокна

Явление межмодовой дисперсии в таком волокне отсутствует, а ширина полосы пропускания ограничивается хроматической дисперсией. Стандартное одномодовое волокно предназначено для работы в диапазоне длин волн 1,285-1,330 мкм, в котором величина хроматической дисперсии в оптическом волкне достигает минимального, близкого к нулю значения. Возможно также использование этого оптического волкна в спектральном диапазоне 1,525-1,565 мкм, затухание на этих длинах волн очень мало (~0,2 дБ/км), а дисперсия составляет 16-18 пс/нм*км. Параметры стандартного одномодового оптического волкна регламентируются рекомендацией G.652 МСЭ-Т. Это исторически первое и наиболее широко распространенное волокно, используемое промышленно с 1983 г.

Растущая потребность в увеличении полосы пропускания и протяженности оптических линий привела к возникновению ряда модификаций стандартного одномодового волокна.

В этом волокне область минимума оптических потерь совпадает с областью минимальной хроматической дисперсии. Параметры этого оптического волокна регламентируются рекомендацией G.653 МСЭ-Т. Волокно со смещенной дисперсией хорошо совместимо с оптическими усилителями, поскольку интервал длин волн в котором оптическое волокно имеет наилучшие параметры по затуханию и дисперсии совпадает с полосой максимального усиления оптических усилителей на эрбиевом волокне.

Такой тип волокна предпочтителен для высокоскоростных линий связи с большой длиной регенерационного участка, без применения технологий оптического уплотнения. Возможно также применение этого оптического волкна в системах со спектральным уплотнением (WDM) при ограниченной протяженности регенерационного участка, пониженной мощности передаваемого сигнала и ограниченной плотности спектральных компонент.

Первое использованное в системах связи оптическое волокно (ОВ) было многомодовым. Для объяснения этого термина обратимся к рис. 4. [12, с. 90]

Рисунок 4 - Распространение света в многомодовом оптическом волокне со ступенчатым распределением профиля показателя преломления

В состав оптоволокна входят:

1 - сердцевина (световедущая жила);

2 - оболочка;

3 - защитная оболочка.

Сердцевина и оболочка изготавливаются из кварцевых стекол с показателями преломления n1 и n2 соответственно, где n1> n2. Хорошо известно, что луч света, падающий под углом на границу раздела двух сред с различными показателями преломления n1 и n2 испытывает явления преломления и отражения. В случае, когда n1> n2 возможна ситуация, при которой свет полностью отразится от границы раздела, т.е. будет наблюдаться эффект полного внутреннего отражения.

Таким образом, луч света, введенный в сердцевину волокна под углом, меньшим критического, больше не покинет оптическое волокно и будет распространяться по всей длине волновода. Такой луч получил название ведомой моды или просто моды. Величина sin с получила название числовой апертуры волокна.

В многомодовом оптическом волокне может распространяться одновременно большое число мод - лучей, введенных в световод под разными углами. Многомодовое оптическое волокно обладает относительно большим диаметром сердцевины (стандартные значения 50 и 62,5 мкм) и, соответственно, большой числовой апертурой, что облегчает его монтаж и эксплуатацию. Основным недостатком такого волокна является наличие межмодовой дисперсии, возникающей из-за того, что разные моды проделывают в волокне разный оптический путь. Для уменьшения влияния этого явления было разработано многомодовое волокно с градиентным показателем преломления (рис. 5). [7, с. 144]



Рисунок 5 - Многомодовое волокно с градиентным профилем показателя преломления

В таком волокне значение показателя преломления сердцевины плавно изменяется от центра к краям. Благодаря этому, моды в волокне распространяются по параболическим траекториям, и разность их оптических путей, а следовательно, и межмодовая дисперсия существенно меньше, чем в многомодовом волокне со ступенчатым профилем n. Однако полностью устранить межмодовую дисперсию в многомодом волокне все же не удается, что объясняется как несовершенством профиля показателя преломления, так и наличием так называемых спиральных мод, возникающих вследствие осевой симметрии ОВ, избавиться от которых в принципе невозможно. Область применения многомодового волокна в основном локальные и внутриобъектовые сети.

1.5 Эксплуатационные измерения на ВОСП

Эксплуатационные измерения включают в себя:

измерение уровней оптической мощности и затухания;

измерение возвратных потерь;

определение места и характера повреждения оптоволоконного кабеля;

стрессовое тестирование аппаратуры ВОСП.

Дополнительно к эксплуатационным могут быть отнесены измерения спектральных характеристик источника и анализ дисперсии ВОСП, однако они редко проводятся в полевых условиях и на современном уровне развития технологии ближе к системным и лабораторным измерениям.

Для проведения этих измерений используются эксплуатационные приборы, перечисленные в таблице 4. [13, с. 54]

Таблица 4 - Эксплуатационные измерения ВОЛС

Параметр тестирования	Необходимое измерительное оборудование
Оптическая мощность (выход источников, уровень принимаемого сигнала)	ОРМ, OLTS
Затухание в кабеле, интерфейсах и волокнах	ОРМ, SLS, OLTS
Уровень возвратных потерь	Анализатор ORL, OTDR
Определение места и характера повреждения оптоволоконного кабеля	Визуальный дефектоскоп, OTDR
Определение спектральных характеристик источника*	Оптический анализатор спектра
Определение параметров дисперсии*	Анализаторы дисперсии
Стрессовое тестирование ВОСП	Перестраиваемые аттенюаторы, ОРМ, SLS, OLTS

* При эксплуатации практически не проводятся

1.6 Системы автоматического мониторинга

Для работы ВОСП необходимо контролировать состояние оптического кабеля. Для этого разработаны системы автоматического мониторинга.

Блок Удаленного Тестирования (RTU) производства EXFO поможет вам поддерживать безопасность и надежность системы без приобретения полной системы Удаленного мониторинга.

RTU проводит непрерывный мониторинг сетей для предупреждения оператора в случае вмешательства в систему и ухудшения параметров волокна если они случаются. Сконфигурируйте блок для отправки аварийных сигналов прямо на пейджер и электронную почту для максимальной эффективности. RTU обнаруживает ухудшение параметров волокна задолго до того как система будет выведена из строя, эффективно останавливает проблемы перед тем как они возникнут.

Ключевые особенности:

непрерывный мониторинг волокон из одной центральной точки;

конфигурирование порогов потерь OTDR для каждого волокна;

непрерывный спектральный мониторинг DWDM систем;

подробное отображение аварийных сигналов;

ежедневное отображение сетевой статистики;

точное обнаружение сбоев и их расположения.

RTU обнаруживает и определяет место расположения сбоев в волокнах и направляет ближайшую бригаду для исправления аварии без затрат времени на поиск неисправности, что означает максимальную продуктивность.

RTU содержит блок OTDR высокой точности, который сравниваеттестируемуо трассу с опорной для обнаружения аномалий в волокне кабеля, сбоев и затуханий.

Комбинация RTU с оптическим анализатором спектра вместо блока OTDR выполняет спектральный мониторинг для сетей DWDM. Проводится мониторинг важнейших параметров, таких как соотношение оптический сигнал/шум, мощность пика канала и дрейф длины волны.

Мониторинг нескольких волокон одним Блоком Удаленного Тестирования проводится с использованием оптического переключателя. EXFO предлагает широкий диапазон конфигураций оптических переключателей, позволяющий вам производить мониторинг до 127 волокон одним блоком. Системы удаленного мониторинга EXFO расширяются вместе с потребностями потребителей. Включите отдельный Блок Удаленного Мониторинга (RTU) в Систему Удаленного Мониторинга (RFTS) для обеспечения полного мониторинга и обнаружения расположения неисправностей для больших сетей. RFTS включает в себя все функции RTU, но добавлено удаленное управление, расширенная возможность мониторинга и географическая информационная система (GIS), которая отображает точное географическое расположение сбоев.

Непрерывное наблюдение позволяет обнаруживать хакеров. RTU обнаруживает потери, внесенные нелегальными подключениями к волокну, немедленно включается аварийное оповещение и предупреждение оператора о наличии вмешательства.

Простота RTU означает, что вы можете установить его самостоятельно с минимальным предварительным обучением, сохраняя ваши деньги и уменьшая время запуска.

Система удаленного мониторинга позволяет нам проводить наблюдение за состоянием физических параметров оптического волокна в автоматическом режиме 24 часа в сутки 7 дней в неделю.

Система дистанционного мониторинга производства компании EXFO, дает нам уверенность в надежности вашей волоконно-оптической линии связи.

В систему входят Блоки Удаленного Тестирования (RTU), которые установлены в стратегически важных точках, в вашей волоконно-оптической сети. Цель покрыть как можно большее пространство. Каждый RTU содержит блок оптического рефлектометра (OTDR) и оптический переключатель, который соединяет каждое волокно с OTDR.



Рисунок 6 - Структурная схема системы дистанционного мониторинга

Каждое волокно, соединенное с оптическим переключателем тестируется блоком OTDR 24 часа в сутки, 7 дней в неделю (или по желанию, возможно, установить другое расписание тестирования).

После того как вы подключили волокно, оно получает свои собственные верхние и нижние пределы OTDR потерь. В процессе мониторинга если пороги превышаются FiberVisor автоматически генерирует аварийный сигнал. Затем FiberVisor направляет этот аварийный сигнал ответственному лицу из команды обслуживания. Аварийный сигнал содержит дополнительную информацию такую как дату и время, оптическую дистанцию, значение потерь, кабель, волокно и т.п.

Каждый RTU направляет отчет на центральную станцию или сервер, который так же известен как Контроллер Тестирующей Системы (TSC). TSC сохраняет все отчеты в реляционной базе данных, для последующей обработки и запросов SQL. TSC также осуществляет связь между RTU и контроллерами оптической сети (ONC) для пользователей, находящихся в других местах.

FiberVisor не только обнаруживает сбойное волокно, он также определяет место повреждения. Профессиональные географические инструменты отображают события на карте и переводят оптическую дистанцию (такую как определил OTDR) в физическую. Этими данными FiberVisor предупреждает ближайшую команду и направляет к месту аварии, что уменьшает время поиска в поле.

FiberVisor поставляется со своим собственным дружественным интерфейсом, экраном и кнопками управления. Таким образом вам не потребуется никакого дополнительного оборудования для управления RTU. Для работы непосредственно с RTU все что вам нужно это имя пользователя и пароль. Пароль также используется для удаленного доступа к клавиатуре, мыши и экрану RTU. Это означает, что RTU может контролироваться напрямую с ONC, что удобно для проведения теста по требованию, конфигурирования одного или нескольких RTU и т.п.

Когда RTU генерирует аварийный сигнал этот сигнал автоматически отправляется на TSC. TSC помещает этот сигнал в базу данных и направляет соответствующим членам команды обслуживания сообщение, дополнительно к аварийному сигналу сообщение включает расположение дефекта, отображенного через интегрированную географическую информационную систему. Адресация аварийных сигналов является интеллектуальной функцией, сигнал может быть передан на пейджер, эл. почту, на PCS/GSM, согласно определенному списку.

Профессиональная Географическая Информационная Система обеспечивает FiberVisor точной географической информацией о волоконно-оптической сети. Особенности включают GPS доступ и полное отображение инфраструктуры. Также отображается другая информация - общее состояние сети, идентификация кабеля и волокна, отображение аварий, статистика, расположение RTU, точки доступа (кабельные колодцы), центральный офис, станции ONC, сервера и т.п. Предупреждающее обслуживание FiberVisor генерирует полную статистику оптического канала с целью предупреждающего обслуживания. Это означает, что обслуживающий персонал может определить незначительные дефекты, ухудшающиеся соединения и проблематичные коннекторы прежде, чем они повлияют на количество ошибок в сигнале (BER). И более того, все это происходит прежде, чем потери сигнала достигнут минимального порога, определенного для генерации аварийного сигнала.

FiberVisor имеет модульный дизайн, позволяющий системе расти вместе с вашей сетью. Вы можете начать с одного RTU и постепенно добавлять другие по мере необходимости или начать с простой конфигурации с оптическим переключателем и заменить её более сложной позднее. Такая конфигурация называется Stand-Alone RTU

И с ростом сетевых технологий FiberVisor будет готов. FiberVisor прекрасно оснащен не только на сегодняшний день, но и также на завтрашний.

DWDM технологии означают, что оптический уровень сети также должен быть протестирован. Масштабируемость FiberVisor означает, что спектральные измерительные инструменты такие как оптические анализаторы спектра могут быть добавлены в RTU как только сеть начнет использовать возможности DWDM. Также как и OTDR обнаруживает дефектные волокна, так и спектральный мониторинг обнаруживает сбойные каналы в системах DWDM. С инструментами FiberVisor обслуживающий персонал может точно определять причины проблем с длинами волн такие как: соотношение сигнал/шум (SNR), дрейф длины волны канала и пиковую мощность. Затем они могут предпринимать действия для коррекции проблем. [20, с. 43]

FiberVisor может производить мониторинг как неактивных (темных) так и активных (по которым передается информация) волокон. В то время как тестирование неактивных волокон дает нам возможность обнаружить до 90% всех дефектов, мониторинг активных волокон обеспечивает полный мониторинг всех возможных дефектов. Если сеть не имеет темных волокон для мониторинга FiberVisor производит тестирование на нерабочей длине волны внутри активного волокна. И это обеспечивает дополнительную выгоду при мониторинге стратегически важных волокон.

Рисунок 7 - Структурная схема мониторинга активного волокна



Глава 2. Модернизация волоконно-оптической сети с. Ссёлки Липецкого района

2.1 Краткая характеристика предприятия

ОАО «ЦентрТелеком» - ведущая телекоммуникационная компания фиксированной связи, предоставляющая весь спектр телекоммуникационных услуг в Центральном Федеральном округе, на территории которого проживает более 20% населения России. ОАО «ЦентрТелеком» предлагает все виды телекоммуникационных услуг, в том числе услуги телефонной связи, Интернета, IP-телефонии, передачи данных, обеспечивает кабельное телевидение, проводное и VHF-радиовещание. Компания активно развивает современные мультисервисные и SDH-сети, а также новые системы радиодоступа. Акции Компании торгуются на РТС (ESMO, ESMOP), ММВБ (CTEL, CTELP), также Компания имеет программу АДР первого уровня на обыкновенные акции (CRMUY).

Липецкий филиал ОАО «ЦентрТелеком» - региональный оператор, предоставляющий услуги традиционной телефонии и новые виды связи на территории Липецкой области. С декабря 2003 года в числе 17 операторов электросвязи Центрального федерального округа России Липецкий филиал входит в межрегиональную компанию ОАО «ЦентрТелеком». Филиал - лидер интегрального рейтинга по показателям коммерческой деятельности среди филиалов Компании. Процент ёмкости электронных АТС Липецкого филиала ОАО «ЦентрТелеком» один из самых высоких в Центральном федеральном округе и составляет 62,7, в том числе в областном центре - 81,3, на ГТС - 72,4, СТС - 29,8. Количество телефонов на 100 жителей по области - 27,3; в том числе по ГТС - 33,2 (г. Липецк - 35,4); на СТС - 16,6. В конце 2004 года было завершено строительство внутризоновой волоконно-оптической сети на территории Липецкой области, что позволяет филиалу предоставлять самые современные услуги мультисервисной сети с различными требованиями к объему передаваемой информации, скорости и качеству ее передачи не только в городе Липецке, но и во всех райцентрах области.

Липецкий филиал ОАО «ЦентрТелеком» осуществляет свою деятельность через сеть структурных подразделений во всех районах Липецкой области и является основным оператором связи на территории Липецкой области. Далее рассмотрим схему оборудования, которая должна быть реконструирована.

2.2 Старая схема оборудования электросвязи

ИКМ-120 - вторичная цифровая система передачи с импульсно-кодовой модуляцией на 120 каналов ТЧ, предназначена для уплотнения городских и пригородных кабелей типов МКС 7х4 и МКС 4х4 по одно и двухкабельной схеме (рис. 8).

Аппаратура ИКМ-120 представляет собой вторичный и третичный мультиплексоры потоков Е1 2048 кБ/с (4 или 16 потоков) и позволяет организовать передачу до 120 или 480 телефонных каналов в одном линейном тракте со скоростью 8 Мбит/с или 34 Мбит/с соответственно.

Рисунок 8 - ИКМ-120

Функциональные возможности:

организация межстанционных СЛ в местном и междугородном шнуре станций типов АТС-47, -54, АТСК, ЭАТС;

организация цифровых каналов Е2, в том числе общий канал сигнализации;

организация абонентских линий и линий удаленных абонентов;

организация четырех проводных каналов СС по выделенным парам кабеля и телеконтроль линейных трактов.

Состав:

Оборудование системы ИКМ-120-4/5 подразделяется на:

оконечное оборудование;

промежуточное оборудование;

комплекты ЗИП и эксплуатационной документации.

1) Оконечное оборудование включает в себя:

оборудование временного группообразования,

оконечное оборудование кабельного линейного тракта,

оконечное оборудование оптического линейного тракта.