Проектирование инфокоммуникационной волоконно-оптической сети связи железной дороги

Размещено на http://www.allbest.ru/

Учреждение образования

«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА»

Электротехнический факультет

Кафедра «Системы передачи информации»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

«Проектирование инфокоммуникационной волоконно-оптической сети связи железной дороги»

по дисциплине

«Многоканальные системы передачи информации»

Выполнил

студент группы ЭС - 51

Науменко А.М

Проверил

ассистент

Семиход Д.Д

Гомель 2007г.

Содержание

Введение

1. Разработка схемы организации инфокоммуникационной сети связи железной дороги

1.1 Разработка схемы отделенческой сети связи

1.2 Разработка схемы дорожной сети связи

2. Расчет параметров волоконно-оптических линий связи

2.1 Расчет затухания линии

2.2 Расчет накопленной дисперсии линии

2.3 Расстановка усилительных пунктов и пунктов компенсации дисперсии

3. Расчет надежности волоконно-оптических линий передачи

3.1 Мероприятия по повышению надежности функционирования линий передачи

3.2 Расчет количественных показателей надежности

4 Организация эксплуатации сети

4.1 Структура центров эксплуатации

4.2 Мониторинг сети

5 Выбор типа волоконно-оптического кабеля и аппаратуры

5.1 Выбор аппаратуры

5.2 Выбор типа волоконно-оптического кабеля

Заключение

Список использованных источников

Введение

В настоящее время все большее распространение получают цифровые системы передачи информации. Они постепенно вытесняют аналоговые системы, которые постоянно демонтируют и заменяют на более совершенные цифровые. Такая тенденция наблюдается на протяжении последних десяти - пятнадцати лет. Причем все чаще в качестве физической среды передачи информации применяются оптическое волокно. Применять, на вновь строящихся линиях связи, медь становится экономически нецелесообразно. Это связано прежде всего со стоимостью цветных металлов, а так же с ограниченной полосой пропускания данного металла. Оптическое волокно становится с каждым днем дешевле, а спектр пропускаемых частот значительно шире, поэтому на магистральных линиях связи в настоящее время применяется оптоволокно. Наблюдается переход от передачи информации при помощи электрического тока к передаче информации при помощи светового потока, направляющей системой которого служат оптические волокна.

Как было сказано, в настоящее время повсеместно применяются цифровые сети. В основе современной системы электросвязи лежит использование цифровой первичной сети, основанной на использовании цифровых систем передачи. В состав первичной сети входит среда передачи сигналов и аппаратура систем передачи. Современная первичная сеть строится на основе технологии цифровой передачи и использует в качестве сред передачи электрический и оптический кабели и радиоэфир. 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. Cовременная 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.

В данном курсовом проекте разрабатывается волоконно-оптическая сеть связи железной дороги. Она включает в себя дорожную и отделенческую сеть связи. Целью курсового проекта является получение практических навыков работы с технической литературой и документацией, освоение передовых технологий.

1. РАЗРАБОТКА СХЕМЫ ОРГАНИЗАЦИИ ИНФОКАММУТАЦИОННОЙ СЕТИ СВЯЗИ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ

1.1 Разработка схемы отделенческой сети связи

Белорусская железная дорога состоит из 6 отделений. Согласно полученного задания управление дороги находится на станции Василевичи. Схема железной дороги приведена на рисунке 1. Приведем основные характеристики дороги. Белорусская железная дорога расположена в пределах Беларуси. Управление дороги находится в Минске. В состав дороги входят отделения: Минское, Барановичское, Брестское, Гомельское, Могилевское, Витебское. Дорога граничит с Октябрьской, Московской, Юго-Западной и Львовской железными дорогами, с железными дорогами Прибалтики, Польши. Крупные узловые станции, работающие на 4 - 6 направлений: Минск, Молодечно, Орша, Барановичи, Гродно, Волковыск, Лида, Лунинец, Брест, Гомель, Жлобин, Калинковичи, Могилев, Осиповичи, Кричев, Витебск, Полоцк.



Рисунок 1 - Схема железной дороги

Согласно полученного задания разработаем схемы отделенческой сети связи для 6 отделений дороги. На рисунке 2 приведена схема сети связи гомельского отделения. На данной схеме приведено количество каналов необходимых для организации связи между станциями отделения для ведения различных разговоров и передачи служебной информации. По заданию число каналов между станциями третьего класса составляет 130 каналов, между станциями второго класса 50 каналов. В качестве линий связи третьего класса выступают линии между станциями отделения дороги, второго класса - линии связи между станцией и управлением отделения дороги. Таким образом, получим следующую схему связи.

Рисунок 2 - Схема связи Гомельского отделения Белорусской железной дороги

В таблице 1 представлены результаты распределения каналов между станциями Гомельского отделения.

Таблица 1 - Распределение каналов связи для Гомельского отделения

Станция	Жлобин	Гомель	Василевичи	Светлогорск	Калинковичи	Житковичи
Жлобин	-	180	0	130	0	0
Гомель	86 км	-	230	50	50	50
Василевичи	140 км	86 км	-	0	280	0
Светлогорск	39 км	125 км	101 км	-	180	0
Калинковичи	101 км	125 км	39 км	62 км	-	180
Житковичи	204 км	228 км	142 км	165 км	103 км	-

На рисунке 3 приведена схема Брестского отделения дороги с количеством каналов связи.



Рисунок 3 - Схема связи Брестского отделения Белорусской железной дороги

В таблице 2 представлены результаты распределения каналов между станциями Брестского отделения.

Таблица 2 - Распределение каналов связи для Брестского отделения

Станция	Брест	Жабинка	Кобрин	Пинск	Лунинец	Ивацевичи
Брест	-	380	50	50	50	50
Жабинка	26 км	-	280	0	0	120
Кобрин	49 км	23 км	-	230	0	0
Пинск	170 км	144 км	121 км	-	180	0
Лунинец	228 км	202 км	39 км	58 км	-	0
Ивацевичи	137 км	111 км	179 км	255 км	313 км	-

На рисунке 4 приведена схема Барановичского отделения дороги с количеством каналов связи до каждой станции.



Рисунок 4 - Схема связи Барановичского отделения Белорусской железной дороги

Распределение каналов связи между станциями Барановичского отделения представлено в таблице 3.

Таблица 3 - Распределение каналов связи для Барановичского отделения

Станция	Барановичи	Слоним	Волковыск	Мосты	Гродно	Лида
Барановичи	-	330	50	0	50	180
Слоним	43 км	-	280	0	0	0
Волковыск	114 км	71 км	-	230	0	0
Мосты	150 км	107 км	36 км	-	180	130
Гродно	208 км	165 км	94 км	58 км	-	0
Лида	95 км	138 км	110 км	74 км	132 км	-

На рисунке 5 приведена схема Витебского отделения дороги с количеством каналов связи до каждой станции.



Рисунок 5 - Схема связи Витебского отделения Белорусской железной дороги

Распределение каналов связи между станциями Витебского отделения представлено в таблице 4.

Таблица 4 - Распределение каналов связи для Витебского отделения

Станция	Витебск	Полоцк	Крулевщина	Поставы	Чашники	Орша
Витебск	-	280	50	50	50	230
Полоцк	98 км	-	230	0	0	0
Крулевщина	181 км	83 км	-	230	0	0
Поставы	255 км	157 км	25 км	-	0	0
Чашники	184 км	282 км	365 км	390 км	-	180
Орша	83 км	181 км	264 км	289 км	101 км	-

На рисунке 6 приведена схема Минского отделения дороги с количеством каналов связи до каждой станции.



Рисунок 6 - Схема связи Минского отделения Белорусской железной дороги

В таблице 5 приведено распределение каналов связи по направлениям для Минского отделения, а так же указаны расстояния до каждой из станций.

Таблица 5 - Распределение каналов связи для Минского отделения

Станция	Минск	Борисов	Молодечно	Столбцы	Марьина Горка	Слуцк
Минск	-	180	180	180	180	50
Борисов	79 км	-	0	0	0	0
Молодечно	58 км	137 км	-	0	0	0
Столбцы	65 км	144 км	123 км	-	0	0
Марьина Горка	62 км	141 км	120 км	127 км	-	180
Слуцк	206 км	285 км	264 км	271 км	144 км	-

На рисунке 7 приведена схема Могилевского отделения дороги с количеством каналов связи до каждой станции.

Рисунок 7 - Схема связи Могилевского отделения Белорусской железной дороги

Результаты распределения каналов между станциями Могилевского отделения представим в виде таблицы. В данной таблице представлено количество каналов отделенческой связи между любой из станций заданных Могилевского отделения железной дороги. Так же в данной таблице будут представлены расстояния между любыми двумя станциями.

Таблица 6 - Распределение каналов связи для Могилевсого отделения

Станция	Могилев	Кричев	Шклов	Быхов	Осиповичи	Бобруйск
Могилев	-	180	180	180	230	50
Кричев	101 км	-	0	0	0	0
Шклов	38 км	139 км	-	0	0	0
Быхов	48 км	149 км	86 км	-	0	0
Осиповичи	133 км	234 км	171 км	181км	-	180
Бобруйск	175 км	276 км	213 км	223 км	42 км	-

1.2 Разработка схемы дорожной сети связи

В данном пункте разработаем схему дорожной сети связи. На рисунке 8 приведена схема дорожной связи. Количество каналов между станциями первой и второй категории равно 40, то есть между управлением и каждым из отделений дороги.

Рисунок 8 - Схема дорожной сети связи

Общая схема сети связи представлена на рисунке 9.



Рисунок 9 - Схема сети связи

Выделенными линиями на рисунке обозначены линии дорожной связи. Обычными - линии отделенческой связи. Согласно приведенному рисунку можно сделать вывод, что станции Минск, Василевичи, Гомель, Жабинка, Барановичи соединены в кольцо, а отделения дороги в Бресте, Могилеве и Витебске находятся за пределами кольца. Результаты расчетов каналов по направлениям связи приведены в таблице 7.

Таблица 7 - Количество каналов дорожной связи

Станция	Василевичи	Минск	Гомель	Могилев	Витебск	Брест	Барановичи
Василевичи	-	40	40	40	40	40	40
Минск	214	-	0	0	0	0	0
Гомель	78	292	-	0	0	0	0
Могилев	124	338	202	-	0	0	0
Витебск	283	497	361	159	-	0	0
Брест	602	329	524	726	885	-	0
Барановичи	344	130	402	468	627	199	-

Как видно из приведенных выше рисунков основная нагрузка приходится на линии связи проходящие вдоль наиболее значимых и оживленных железнодорожных путей.

Представим схему сети связи с общим числом каналов дорожной и отделенческой связи. Вторым значением указана необходимая скорость на участке в Мбит/c. Так же указана предполагаемая пропускная способность участков.

Рисунок 10 - Общая схема сети связи с распределением каналов

2. Расчет параметров волоконно-оптической линии связи

2.1 Расчет затухания линии

Расчет затухания будем производить для заданного участка. Этот участок Василевичи - Калинковичи - Жидковичи. Данный участок имеет протяженность 140 км.

Оптический сигнал по мере распространения в оптоволокне затухает. Потери светового излучения в оптическом волокне можно разделить на:

1. Потери на поглощение в инфракрасной области спектра, обусловленные хвостами резонансов атомов в кристаллической решетке;

2. Потери на поляризацию оптического сигнала материалом световода;

3. Потери на рассеяние Релея, определяющееся главным образом неоднородностями показателя преломления, которые возникают в процессе варки стекла, а также изменении размеров поперечного сечения ОВ, образованием неровностей на границе сердцевина-оболочка;

4. Потери за счет наличия примесей возникают за счет поглощения энергии на резонансных частотах ионами примесей (в большей степени ионами гидроксильной группы ОН- и ионами металлов Fe2+, Cu2+, Cr3+). При этом в области резонансов собственных колебаний ионов примесей имеют место всплески поглощения.

5. Дополнительные потери на микроизгибах оптоволокна;

6. Потери в защитной оболочке возникают за счет того, что при полном внутреннем отражении часть энергии просачивается во внешнее пространство, окружающее ОВ и затухает по экспоненциальному закону;

7. Потери термомеханического характера, обусловленные различием в температурных коэффициентах удлинения стекла и материала защитной оболочки, в силу чего в ОВ появляются внутренние механические напряжения, приводящие к увеличению затухания оптических сигналов.

8. Потери в местах сварки строительных длин кабеля (неразъёмных соединений, сростках) и в разъёмных соединениях.

Необходимо также учитывать ухудшение характеристик компонентов участка трассы со временем.

Исходя из вышеприведенных положений, для инженерных расчетов применяют следующую формулу, которая с достаточной точностью позволяет определить затухание кабельной магистрали:

где L - длина кабеля, км;

- коэффициент затухания в световодах, дБ/км;

nср - число сростков (неразъёмных соединителей);

бср - затухание в сростках (равно 0,02 дБ), дБ;

nрс - число разъёмных соединителей;

брс - затухание в разъёмных соединителях, дБ;

бt - допуск на температурные изменения затухания оптического волокна, дБ (для территорий СНГ данным параметром пренебрегают);

бз - эксплуатационный запас (принимается равным от 6 до 10 дБ), дБ.

Минимальное количество сростков на регенерационном участке определяется как:

где Lстр - строительная длина кабеля, км.

L - длина участка Василевичи - Калинковичи - Жидковичи, км;

Примем строительную длину кабеля равной 4 км. Произведем расчет количества сростков

Максимально допустимая длина регенерационного участка определяется чувствительностью системы передачи и рассчитывается по формуле

где Эmax - максимальная энергетический потенциал ВОЛС, определяется характеристиками аппаратуры, примем данную характеристику равной 33 дБ, для выбранной аппаратуры.

бз - эксплуатационный запас в ВОЛС, необходимый для компенсации потери мощности сигнала, связанной с проведением ремонтных и дополнительных работ на кабеле, ухудшением параметров оптического волокна и аппаратуры приема-передачи, а также других отклонений параметров участка в процессе эксплуатации;

nрс - число разъёмных соединителей, применим 4 разъемных соединителя, на каждой станции, на ст. Калинковичи 2 соединителя;

брс - затухание в разъёмных соединителях, брс = 0,3 дБ;

бсв - коэффициент затухания в световодах.

В качестве оптоволоконного кабеля будем использовать ОКБ - М. Он имеет затухание:

- на длине волны 1,31 мкм - < 0,35 дБ/км

- на длине волны 1,55 мкм - < 0,22 дБ/км;

Произведем расчет для длины волны 1,31 мкм

бср - затухание в сварных соединениях (сростках);

бt - допуск на температурные изменения затухания оптического волокна, дБ. Допуском на температурные изменения в расчетах для климатической зоны Республики Беларусь будем пренебрегать. Таким образом, получим

км

Произведем расчет количества оптических усилителей по формуле:

.

.

Таким образом, как видно из расчетов, необходимое число регенераторов равно 2.

Произведем расчет затухания на протяжении всего участка:

Рассчитаем затухание сигнала при прохождении сигнала через весь участок регенерации:

Нарисуем структурную схему участка с изображенными на ней регенераторами и сростками кабеля. Схема участка приведена на рисунке 11.

Рисунок 11 - Схема участка

2.2 Расчет накопленной дисперсии линии

Расчет дисперсии производится с целью определения расстояний, через которые устанавливаются компенсаторы дисперсии.

Будем определять хроматическую дисперсию сигнала при прохождении по участку.

Значение хроматической дисперсии может быть рассчитано по формуле:

где - коэффициент хроматической дисперсии оптического волокна (пс/нм•км), паспортное значение для волокна в оптическом кабеле;

? ширина полосы излучения лазерного излучения (нм), паспортное значение оборудования передачи (для большинства экземпляров находится в пределах 0,08 нм);

L ? протяженность участка линии связи (км).

Значение для магистрального кабеля марки ОКБ - М на длине волны 1,31 мкм составляет 3,5 пс/нм•км.

Таким образом, подставляя численные значения, получим

2.3 Расстановка усилительных пунктов и пунктов компенсации дисперсии

Произведем расстановку усилительных пунктов и пунктов компенсации дисперсии.

Существует две основных технологии передачи информации по оптоволоконным линиям связи технология временного мультиплексирования TDM (Time Division Multiplexing) и технологии спектрального уплотнения (WDM - Wavelength Division Multiplexing).

Согласно полученным расчетам нам необходимо 2 регенерационных пункта на всем протяжении заданного участка. Поднимает уровень сигнала так же используемая аппаратура мультиплексирования. Регенераторы будем устанавливать по возможности около станций или остановочных пунктов. Это необходимо для облегчения обслуживания аппаратуры. На станции Жидковичи выделяется 50 каналов отделенческой связи приходящих со станции Калинковичи, так же 130 каналов между станциями Василевичи - Калинковичи, и организуются 130 каналов до станции Жидковичи, включая 50 каналов отделенческой связи со станции Василевичи.

Пункты компенсации дисперсии не понадобятся. Так как используемая аппаратура позволяет на расстояниях, не превышающих 700 км, обходится без компенсаторов хроматической дисперсии, то нет необходимости их устанавливать. Ликвидация дисперсии осуществляется непосредственно в регенераторах, а так же в мультиплексорах. В качестве аппаратуры будем использовать Alcatel 1686 WM.

Alcatel 1686 WM -- мультиплексор с разделением по длинам волн представляет собой 32-канальную систему DWDM, обеспечивающую масштабируемое и экономически выгодное решение для зоновых, межрегиональных и магистральных оптических сетей с передачей цифровых потоков до 10 Гб/с.

В состав системы входят оптические оконечные мультиплексоры, предназначенные для сетей с топологией «точка-точка», а также промежуточные оптические линейные усилители и оптические мультиплексоры ввода/вывода (OADM) для сетей с топологией «много точек много точек».

Произведем расчет затухания на участке Житковичи - Калинковчи:



Схема расстановки усилительных пунктов вместе с диаграммой уровней и хроматической дисперсии приведена на рисунке 12.

Рисунок 12 - Схема расстановки усилительных пунктов и пунктов компенсации дисперсии на участке Василевичи - Калинковичи - Жидковичи

3. Расчет надежности волоконно-оптической линии передачи

3.1 Мероприятия по повышению надежности функционирования линии передачи

При эксплуатации необходимо постоянно поддерживать работоспособность и повышать уровень надёжности сетей ВОЛС. Уровень надёжности сетей зависит от качества компонентов сети, уровня проектирования, качества строительства и уровня эксплуатации, а всё вышеперечисленное, безусловно, зависит от уровня квалификации и выбора путей решения проблем конкретными специалистами, работающими в этих областях волоконной оптики.

При эксплуатации сети ВОЛС нужно иметь статистические данные о количестве и характере повреждений компонентов ВОЛС за достаточно продолжительный период (не менее года). Необходимо также иметь информацию о фирмах -- производителях повреждённых компонентов и строительных организациях, проводивших монтаж. Большое значение имеет информация о технологиях производства компонентов ВОЛС. На интенсивность повреждений компонентов ВОЛС влияет и квалификационный уровень специалистов, эксплуатирующих сеть ВОЛС, используемые принципы и методы эксплуатации.

При эксплуатации сети ВОЛС, независимо от качества её проектирования, качества монтажа и используемых компонентов, основной задачей является повышение уровня её надёжности. Для этого необходимо регулярно проводить эксплуатационные измерения, по результатам которых осуществляется текущий ремонт. Своевременный текущий ремонт позволяет предупредить аварийные повреждения.

Уровень группы, эксплуатирующей сеть ВОЛС, определяется сроками восстановления оптических кабелей при аварийных повреждениях.

Одним из основных эксплуатационных факторов, позволяющих прогнозировать ухудшение характеристик оптических волокон и обеспечивать требуемый уровень надежности ВОЛС, является непрерывный мониторинг ОК ВОЛС. При этом системы мониторинга ОК ВОЛС должны предусматриваться уже на этапе планирования и проектирования современных цифровых сетей связи. Это особенно важно и актуально для ВОЛС на воздушных линиях электропередачи (ВОЛС-ВЛ). Такие ВОЛС-ВЛ имеют очень высокую надежность, но при этом в случае аварии требуют значительных затрат времени и материально-технических ресурсов на проведение аварийно-восстановительных работ.

В настоящее время ОК с одномодовыми оптическими волокнами различного типа являются наиболее совершенной средой для передачи информации. По полосе пропускания (скорость передачи свыше 10 Гбит/с), линейным потерям (затухание 0,2-0,25 дБ/км) и дальности передачи (свыше 150 км) ОК не имеют себе равных. 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. Также надежность линии передачи зависит от способа и качества прокладки кабеля, в данном курсовом проекте был использован кабель для прокладки в грунт.

Так как кварц, защитная оболочка волоконного кабеля, средства его крепежа, грунт и материалы коммуникаций имеют различные коэффициенты теплового расширения, то в случае резкого перепада температуры могут возникать существенные напряжения внутри световода из-за неравномерного расширения соприкасающихся материалов. В результате большие среднесуточные колебания температуры окружающей среды могут привести к разрушению волокна.

Следовательно, для обеспечения общей надежности сети, необходимо обеспечить механическую надежность при прокладке кабеля, а именно, использовать прокладку кабеля в коаксиальных полиэтиленовых трубах. В этом случае не получается жесткая привязка кабеля к полиэтиленовой оболочке, а, следовательно, удается избежать механической деформации кабеля при усадке грунта.

Основным мероприятием по обеспечению надежности является применение различных типов резервирования. Для этого используется кольцевидная топология построения инфокоммуникационной сети. Так же целесообразно использовать проектирование магистральной DWDM сети с резервированием 1 + 1.

Резервировать будем только дорожную связь. В качестве резервного участка дорожной связи будем использовать участок Витебск - Полоцк - Крулевщина - Молодечно - Минск. И второй резервный участок будет проходить через ст. Гомель - Брест.

На участках дорожной связи используется пропускная способность 10 Гбит/c, на остальных участках скорость 2,5 Гбит/c.

3.2 Расчет количественных показателей надежности

На практике надежность количественно оценивается с помощью показателей, которые выбираются с учетом особенностей объекта, режимов и условий его эксплуатации и последствий отказов. Показатели надежности - это количественная характеристика одного или нескольких свойств, определяющих надежность ВОЛС.

Основными причинами повреждений подземных кабельных линий являются следующие:

- механические повреждения ВОК при проведении строительно-монтажных работ сторонними организациями в пределах охранных зон кабельной линии;

- повреждения ОВ за счет старения или попадания в сердечник кабеля влаги;

- повреждение кабелей от грозовых воздействий (при наличии металлических элементов в конструкции оптического кабеля);

- повреждения ВОК от воздействия грызунов, пожаров и т.д.

Несколько иные причины вызывают аварии оптических кабелей, проложенных на опорах линий электропередачи:

- механическое повреждение ВОК с обрывом оптических волокон, не связанное с повреждением элементов несущей конструкции;

- деформация элемента опоры, вызвавшая обрыв ВОК;

- падение опоры (опор), вызвавшее обрыв ВОК;

- обрыв ОК или самопроизвольный обрыв ОВ;

- повреждения из-за влияния электромагнитного поля.

Для всех перечисленных причин вероятность отказа прямо пропорциональна длине оптической кабельной линии, поэтому для характеристики ее надежности используют нормированные на некоторую длину показатели. К таким показателям для кабельных линий связи относятся:

- плотность отказов гипотетической короткой линии m, которая определяет среднее количество отказов в год на линии длиной 100 км;

- средняя наработка между отказами на короткой линии l длиной 100 км с однородными условиями эксплуатации Tl (час);

Поскольку величина Tl трудно определима в силу разнообразия причин выхода из строя кабельной линии, то коэффициент готовности короткой оптической кабельной линии Kl вычисляют по значению плотности отказов m в соответствии со следующим выражением:

Для нахождения величины Tl можно использовать полученное значение Kl:

В начальный период использования ВОЛС на воздушных линиях электропередач, пока не получены надежные эксплуатационные показатели надежности ОК, рекомендуется приравнивать экстраполированные показатели надежности ОК соответствующим эксплуатационным показателям надежности подвески стальных грозозащитных тросов. Плотность отказов грозозащитных тросов в результате обрывов и падения опор, нормированная на 100 км ВЛC в год, приведена ниже.

Коэффициент готовности линии, примем соответственно равным 0,999909. То есть

Далее определим коэффициент готовности заданного участка Жлобин - Светлогорск - Калинковичи. Следует подчеркнуть, что достоверность любых расчетных показателей надежности зависит от достоверности параметров, включенных в соответствующие уравнения. Достоверность может быть повышена по мере накопления информации по эксплуатационным данным. Наиболее эффективно для этой цели использование автоматизированных систем контроля состояния (RFTS), содержащих встроенные базы данных, заполняемые в автоматическом режиме.

Коэффициент готовности ВОЛС определяется по формуле:

где - коэффициент готовности оконечного оборудования, ;

- коэффициент готовности пунктов выделения, ;

- коэффициент готовности короткой линии ;

N - количество пунктов выделения;

L - общая протяженность заданного участка ВОЛС, км.

Таким образом, коэффициент готовности магистральной сети связи составит:

Из приведенных расчетов видно, что коэффициент готовности значительно ниже, чем 0,9 поэтому для повышения надежности связи необходимо провести определенные меры. В качестве одной из них будем использовать резервирование каналов связи и линий передачи. В качестве резерва увеличим число каналов на всех направлениях на 50 %. Резервируем только сеть дорожной связи. На рисунке 13 приведена схема резервирования дорожной связи. Для того, что бы учесть развитие сети на ближайшие 15-20 лет, полученное количество каналов необходимо увеличить еще на 20%.

кабель связь железный дорога



Рисунок 13 - Схема резервирования дорожной связи

4. Организация эксплуатации сети

4.1 Структура центров эксплуатации

Рассмотрим структуру центров эксплуатации. Основу технической эксплуатации волоконно-оптической сети связи составляют: техническое обслуживание устройств; ремонт; профилактика повреждений; ряд других мероприятий по обеспечению работоспособности сети.

С целью обеспечения бесперебойной и высококачественной работы всей сети предусматриваются следующие виды обслуживания:

1. Охранно-предупредительная работа;

2. Текущее и планово-профилактическое обслуживание;

3. Технический надзор за строительством, реконструкцией и капитальным ремонтом;

4. Оперативный контроль технического состояния ВОЛС.

Для выполнения данных видов работ предусматривается иерархическая структура служб эксплуатации: центр управления эксплуатационной работой (ЦУЭ) при управлении дороги, эксплуатационно-технологические центры (ЭТЦ) при отделениях дорог, линейно-оперативные бригады (ЛОБ) при дистанциях сигнализации и связи.

Организация центров эксплуатации уменьшает время восстановления, то есть коэффициент готовности магистральной линии увеличивается. Время восстановления не должно превышать 2 часа. Расстояние между линейно-оперативными бригадами составляет 20 - 40 км.

Данное расстояние выбрано из необходимости линейно-оперативных бригад прибыть на место для выполнения ремонтно-эксплуатационных работ.

Структурная схема расположения центров эксплуатации приведена на рисунке 13.



Рисунок 13 - Схема расположения центров эксплуатации

4.2 Мониторинг сети

Мониторинг оптоволоконных линий очень важен. Он позволяет оперативно определить неисправность и её исправить. 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.

Одним из основных эксплуатационных факторов, позволяющих прогнозировать ухудшение характеристик оптических волокон и обеспечивать требуемый уровень надежности ВОЛС, является непрерывный мониторинг ОК ВОЛС. При этом системы мониторинга ОК ВОЛС должны предусматриваться уже на этапе планирования и проектирования современных цифровых сетей связи. Это особенно важно и актуально для ВОЛС на воздушных линиях электропередачи (ВОЛС-ВЛ), применяемых при создании больших корпоративных сетей связи крупными энергокомпаниями. Такие ВОЛС-ВЛ имеют очень высокую надежность, но при этом в случае аварии требуют значительных затрат времени и материально-технических ресурсов на проведение аварийно-восстановительных работ.

В настоящее время ОК с одномодовыми оптическими волокнами различного типа являются наиболее совершенной средой для передачи информации. По полосе пропускания (скорость передачи свыше 10 Гбит/с), линейным потерям (затухание 0,2-0,25 дБ/км) и дальности передачи (свыше 150 км) ОК не имеют себе равных. 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.

Все системы RFTS, как правило, строятся по одной и той же схеме. При этом выделяют следующие функциональные элементы и устройства:

1. Аппаратную часть;

2. Систему управления;

3. Интегрированные элементы:

4. Геоинформационную систему (ГИС) привязки топологии сети к карте местности;

5. Базы данных ОК, оборудования сети, критериев и результатов тестирования ОК ВОЛС и сети в целом, и другие внешние базы данных.

Аппаратная часть включает:

1. Блоки дистанционного тестирования волокон RTU (Remote Test Unit), в которые могут устанавливаться модули оптических рефлектометров OTDR (Optical Time Domain Reflectometer), модули доступа для тестирования волокон OTAU (Optical Test Access Unit) - оптические коммутаторы и другие модули;

2. Центральный блок управления TSC (Test System Control) системой RFTS - центральный сервер;

3. Станции контроля сети ONT (Optical Network Terminal).

Элементами системы управления RFTS являются: станции контроля сети ONT (notebook или стационарные рабочие станции); соответствующее программное обеспечение; блоки управления в RTU; центральный блок управления TSC и сетевое оборудование, обеспечивающее связь между компонентами управления RFTS.

Представим схему мониторинга сети связи для белорусской железной дороги в соответствии построенной ранее схемой связи для дорожной и отделенческой связи. Блоки RTU будем располагать через расстояния равные 50 км. Это связано с необходимостью их технической эксплуатации и особенностями функционирования.

Организационно структура мониторинга сети состоит из трех уровней. Нижним уровнем является непосредственно блоки RTU, вторым уровнем является так называемый оптический терминал (ОТ), который наиболее часто располагается в отделении дороги. Наиболее высшим уровнем является эксплуатационный центр, который расположен в управлении дороги. В данном случае он расположен на станции Жлобин. Так же на рисунке будет приведена необходимая пропускная способность по направлениям для мониторинга сети.

Схема мониторинга сети приведена на рисунке 14.

Рисунок 14 - Схема мониторинга сети связи

На рисунке 15 представлены особенности построения мониторинга сети связи.



Рисунок 15 - Особенности построения мониторинга сети связи

Далее представим результирующее значение пропускной способности проектируемых линий связи по всем направлениям, с учетом резервирования, мониторинга, а так же дальнейшего развития сети связи.

Для последующего развития сети увеличили расчетную пропускную способность еще на 20%. Из проведенных расчетов видно, что наибольшая пропускная способность необходима на участках которые проходят через участки дорожной связи. На рисунке 16 представлена схема связи, на которой указаны необходимые скорости передачи на соответствующих направлениях передачи информации. На участках Брест - Гомель, Жлобин - Гомель, Минск - Жлобин, Минск - Барановичи, Витебск - Могилев - Жлобин будем использовать максимальную скорость передачи равную 10 Гбит/с. По полученным расчетам на участке Брест - Барановичи не требуется такой скорости передачи, но упрощения построения сети и обеспечения большего запаса по пропускной способности будем использовать также скорость 10 Гбит/c. На остальных участках будем использовать максимально достижимую скорость равную 2,5 Гбит/c, так как на остальных направлениях, согласно проведенных расчетов, большего значения скорость не превысит. Поэтому нет необходимости ставить аппаратуру для большей пропускной способности. Для резервирования связи будем использовать обходные линии для образования так называемой кольцевой структуры. Резервируются каналы только каналы дорожной связи. Таким образом, на данных участках дополнительно прокладываются еще по 50 каналов дорожной связи. Так мы получим кольцевую структуру. Это обеспечит необходимый коэффициент готовности и надежность магистральных линий связи.

Представим в таблице 8 наибольшую пропускную способность в Мбит/c на наиболее важных направлениях.

Таблица 8 - Результаты расчета максимальной пропускной способности

Станция	Василевичи	Минск	Гомель	Могилев	Витебск	Брест	Барановичи
Василевичи	-	4695,94	3197,14	3760,9	3760,9	2650,63	2634,87
Минск	214	-	4695,94	0	959,29	2634,87	2634,87
Гомель	660	292	-	3197,14	0	2650,63	0
Могилев	124	338	202	-	3014,38	0	0
Витебск	283	497	361	159	-	0	0
Брест	580	440	380	726	885	-	2634,87
Барановичи	344	130	402	468	660	199	-

Оптический рефлектометр периодически снимает данные по затуханию с подключаемых к нему оптических волокон сети. Каждая полученная рефлектограмма сравнивается с эталонной, отражающей обычно исходное состояние волокна. Если отклонение от нормы превышает определенные, заранее установленные пороги (предупреждающий или аварийный), то соответствующий блок RTU автоматически посылает на центральный сервер системы предупреждение или сообщение о неисправности. Все рефлектограммы также поступают на центральный сервер, который сохраняет их в базе данных для дальнейшей обработки. Центральный сервер системы обеспечивает доступ ко всем результатам тестирования волокон для любой станции контроля сети и автоматически рассылает сообщения о неисправностях в зависимости от уровня серьезности события на заранее заданные IP- или электронные адреса, пейджеры и телефоны, узлы обслуживания ВОЛС.

В системе RFTS можно реализовывать различные схемы и методы наблюдения за состоянием волокон и ОК. Свыше 90% неисправностей связаны с повреждением ОК в целом и будут обнаружены, если тестируется хотя бы одно оптическое волокно в кабеле. Это означает, что при относительно невысоких требованиях к надежности ВОЛС можно постоянно вести тестирование только одного волокна в ОК.

Допускается тестирование как "темных" волокон ОК, т. е. волокон, по которым не передаются данные цифровой сети связи в момент тестирования, так и активных волокон. При этом тестирование активных волокон проводится на длине волны излучения вне рабочей полосы пропускания и никак не влияет на качество передачи. Метод тестирования активных оптических волокон в сети требует больших затрат, и имеет смысл его применять только для волокон, на которых установлены цифровые системы передачи с особо важными каналами повышенной надежности, или в случае отсутствия темных волокон в ОК.

На рисунке 17 приведена структурная схема мониторинга сети связи для нескольких пунктов RTU.



Рисунок 16 - Структура мониторинга сети связи

Из структурной схемы видно, что передача полезной и тестируемой информации осуществляется по одной магистральной линии связи.

Для передачи информации с каждого модуля RTU необходим цифровой поток STM - 1. Поэтому пропускная способность значительно увеличится.

5. Выбор типа волоконно-оптического кабеля и аппаратуры

5.1 Выбор аппаратуры

Произведем выбор цифровой системы передачи, необходимой для осуществления передачи информации в цифровом виде.

При проектировании оптической сети связи железной дороги была выбрана система плотного волнового мультиплексирования DWDM. Учитывая, что пропускная способность между управлением и отделениями дороги должна быть обеспечена 10 Гбит/с и 2,5 Гбит/с, остановим свой выбор на цифровой системе передачи Alcatel 1686 WM.

Основные технические характеристики и назначение аппаратуры Alcatel 1686 WM приведены ниже.

Alcatel 1686 WM - мультиплексор с разделением по длинам волн представляет собой 32-канальную систему DWDM, обеспечивающую масштабируемое и экономически выгодное решение для зоновых, межрегиональных и магистральных оптических сетей с передачей цифровых потоков до 10 Гб/с включительно.

Рисунок 18 - Внешний вид мультиплексора Alcatel 1686 WM

В состав системы входят оптические оконечные мультиплексоры, предназначенные для сетей с топологией «точка-точка», а также промежуточные оптические линейные усилители и оптические мультиплексоры ввода/вывода (OADM) для сетей с топологией «много точек - много точек». Для увеличения протяженности линий используются коды с обнаружением и исправлением ошибок.

Основные характеристики имеют следующий вид:

- Количество каналов - до 32 каналов для сигналов от 2,5 Гбит/с или 10 Гбит/с;

- Оптический диапазон: C;

- Частотное разнесение каналов: 200 ГГц или 100 ГГц;

- Максимальная дальность пролета без регенерации сигнала - до 700 км.

Различные варианты конфигурации для коротких и длинных дистанций с использованием кодов с обнаружением и исправлением ошибок OOBFEC:

- Терминальный - 8, 16 или 32 канала;

- OADM - 8 (200 ГГц) или 10 (100 ГГц) каналов;

- Промежуточные оптические усилители +14Дбм, 17дБм, 20 дБм;

- Различные типы интерфейсов:

- Транспондеры для STM-16 и STM-64.

- Концентратор для четырех каналов 2,5 Гбит/с в один оптический канал 10,72 Гбит/с с использованием кодов с обнаружением и исправлением ошибок OOBFEC

- Асинхронный (2R) транспондер для сигналов в диапазоне от 100Мб/с до 1,25 Гбит/с

- Модернизация конфигурации без прерывания трафика при увеличении количества оптических каналов и пропускной способности любого канала от 2,5 Гбит/с к 10 Гбит/с

- Возможность установки модуля 4хAny для агрегирования сигналов STM-1, STM-4, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, ATM, Fiber Channel, ESCON, FICON, FDDI, DVideo в один канал 2,5 Гбит/с

- Функции контроля качества передачи

- Различные схемы резервирования оптических каналов O-SNCP.

Для всех видов услуг, которые не обладают встроенными механизмами защиты, могут использоваться следующие виды защитного переключения:

* Линейные конфигурации

? OMS (Optical Multiplex Section);

? OСh (Optical Channel);

* Кольцевые структуры

? O-SNCP;

? O-SNCP with D&C (drop and continue) для защиты от многократных аварий в сети с кольцевыми взаимодействующими конфигурациями.

В линейном промежуточном оборудовании канал наблюдения отделяется от оптического сигнала внутри платы линейного усилителя.

Затем композитный сигнал усиливается линейным оптическим усилителем и к нему снова добавляется канал наблюдения, формируемый платой дополнительного оборудования (Aux). Ввод и вывод одной или более длин волн становится возможным благодаря использованию оптического блока ввода/вывода. Данный блок может конфигурироваться с помощью программного обеспечения. Это означает, что оператор может дистанционно принимать решение, будет ли длина волны проходить через оборудование или терминироваться.

Для заданного участка определим количество потребных мультиплексоров, необходимых для нормального функционирования сети связи. Так как пропускная способность данного участка Жлобин - Светлогорск - Калинковичи не превышает 2,5 Гбит/с будем использовать один оконечный мультиплексор, который установим на станции Калинковичи, два промежуточных линейных усилителя, которые устанавливаются на остановочных пунктах Останковичи и Истопки, два оптических мультиплексора ввода/вывода (OADM). Данные мультиплексоры устанавливаются на станциях Светлогорск и Жлобин, на которых выделяется по 75 каналов отделенческой связи.

5.2 Выбор типа волоконно-оптического кабеля

В данном пункте произведем выбор волоконно-оптического кабеля. Выбор данного кабеля будем основывать на том, что вся территория, по которой проходит Белорусская железная дорога, расположена в условиях умеренного климата, грунт не промерзает на глубину более 0,5 м, и зона является сейсмически не активной, но на территории имеет большое количество заболоченных участков и рек. Поэтому для магистральных линий будем использовать кабель марки ОКБ, а конкретно ОКБ - М12Т.

Волоконно-Оптический кабель марки ОКБ - М (ОКНБ - М) имеет следующие характеристики:

Кабель марки ОКБ - М изготавливается на основе лучших импортных и отечественных материалов. Данный тип кабеля предназначен для прокладки в грунте, на речных переходах, а также в кабельной канализации, трубах, блоках, коллекторах, на мостах и в кабельных шахтах.

Материалы, применяемые при изготовлении, и детали конструкции кабеля марки ОКБ (ОКНБ) - М:

- Оптическое волокно высшей категории качества SM.10/125.04.UV производства фирмы Fujikura (Япония).

- В кабеле используются гидрофобные заполнители Naptel 851 и Naptel OP308 производства фирмы British Petroleum (Великобритания).

- Центральный силовой элемент - стальной трос (ОКБ-М8Т…) либо стеклопластиковый пруток (ОКБ - М6П…) производства фирмы Cousin (Франция).

- Промежуточная и внешняя оболочки изготавливаются из полиэтилена. Возможно изготовление кабеля из полиэтилена, не распространяющего горение. (Кабель ОКНБ-М… сертифицирован Государственной Противопожарной службой МВД РФ).

- Кабель армирован сплошной обмоткой из оцинкованной стальной проволоки диаметром 1,8 мм производства Череповецкого сталепрокатного завода (Россия).

- Кабель имеет продольную гидроизоляцию бронирующего слоя (между внутренней полиэтиленовой оболочкой и стальным бронепокровом вводится гидрофобный заполнитель).

- Оптические модули могут быть изготовлены как на основе полиэтилена (ПЭ), так и на основе полибутелентерефталата (ПБТ) производства фирмы EMS Chemie AG (Швейцария) или фирмы BASF (Германия).

Кабель имеет следующую конструкцию:

1. Осевой элемент

- стальной трос (стренга, канат, проволока) в полимерном покрытии или без - ОК(Н)Б…-М…Т-…;

- стеклопластиковый пруток в полимерном покрытии или без - ОК(Н)Б…-М…П-…;

- арамидные нити в полимерном покрытии - ОК(Н)Б…-М…А-….

2. Оптическое волокно - одномодовое, рекомендация ITU-Т G.652.В - Е;

- одномодовое, рекомендация ITU-Т G.652.С - А;

- одномодовое, рекомендация ITU-Т G.655 - Н;

- многомодовое, с сердцевиной диаметром 50 мкм, рекомендация ITU Т G.651 - М;

- многомодовое, с сердцевиной диаметром 62,5 мкм - В.

3. Внутримодульный гидрофобный заполнитель

4. Оптический модуль

5. Гидроизоляция сердечника (гидрофобный заполнитель или водоблокирующая бумага)

6. Промежуточная оболочка (полиэтилен или материал, не распространяющий горение)

7. Гидроизоляция бронирующего слоя (гидрофобный заполнитель или водоблокирующая бумага)

8. Броня из круглых стальных проволок.

9. Защитная оболочка (полиэтилен или материал, не распространяющий горение)

Возможно изготовление вариантов конструкций с дополнительными свойствами:

Негорючее исполнение - ОКНБ-…;

Облегчённое исполнение (без промежуточной оболочки) - ОКБЛ-…;

Внешний вид оптического кабеля в разрезе приведен на рисунке 19.

Рисунок 19 - Кабель в разрезе

Основные технические характеристики кабеля марки ОКБ (ОКНБ)-М…:

1. Наружный диаметр кабеля (в зависимости от конструкции) -	16 ? 19 мм.
2. Номинальный вес -	436 ? 560 кг/км.
3. Допустимое сдавливающее усилие, не менее -	1 кН/см.
4. Допустимое растягивающее усилие, не менее -	10 кН.
5. Строительные длины -	до 4,2 км
6. Коэффициент затухания:
- на длине волны 1,31 мкм -	< 0,35 дБ/км
- на длине волны 1,55 мкм -	< 0,22 дБ/км
7. Хроматическая дисперсия:
- на длине волны 1,31 мкм -	< 3,5 пс/(км*нм)
- на длине волны 1,55 мкм -	< 18 пс/(км*нм)
8. Температурный диапазон эксплуатации -	от -60 до +50°С
9. Срок службы ВОК, не менее -	25 лет

Строительная длина кабеля будет составлять 4 км. Количество оптических волокон в кабеле будет равняться 10. По одному волокну для приема и передачи. Остальные жилы используются в качестве резервных, а так же для последующего развития или использования в коммерческих целях. Данный кабель прокладывается на электрифицированных участках, на опорах контактной сети, а на участках с тепловозной тягой на опорах высоковольтных линий автоматики и телемеханики, или осуществляется прокладка в грунт.

Длина заданного участка составляет 140, поэтому нам необходимо 35 строительных длин кабеля.

Заключение

В процессе разработки сети связи было определено количество каналов дорожной и отделенческой связи в соответствии с полученным заданием, рассчитано затухание магистральной линии связи на участке Василевичи - Калинковичи - Жидковичи, построена диаграмма уровней. В данном курсовом проекте была разработана волоконно-оптическая инфокоммуникационная сеть Белорусской железной дороги с управлением дороги в г. Василевичи . Были определены технология и система цифровой передачи для данной сети. Произведен расчет параметров и надежности волоконно-оптической линии передачи. Приведен полный обзор мероприятий по обеспечению надежности функционирования линии передачи. Спроектирована схема расположения центров технической эксплуатации сети, а так же структура мониторинга сети. По проведенным расчетам видно, что основная пропускная способность магистральной линии связи приходится на участки дорожной связи. В курсовом проекте были использованы два значения максимальной скорости передачи информации по оптоволокну. На наиболее напряженных участках она равняется 10 Гбит/c, на второстепенных менее напряженных скорость не превышает 2,5 Гбит/с.

В курсовом проекте так же была определена аппаратура для передачи информации по волоконно-оптическому кабелю. В качестве аппаратуры мультиплексирования выбрана система Alcatel 1686 WM, которая позволяет организовать 32 канала с максимальной скоростью передачи 10 Гбит/с. В качестве волоконно-оптического кабеля используем кабель марки ОКБ - М12Т, который имеет 10 оптических волокон.

Список использованных источников

1. Здоровцов И. А., Семенюта Н. Ф. “Магистральные цифровые сети связи на железных дорогах.” - Гомель: БелГУТ, 2002. - 65 с.

2. Тюрин В. Л. “Многоканальная связь на железнодорожном транспорте: Учебник для ВУЗов железнодорожного транспорта” - М.: Транспорт, 1992. - 431с.

3. Кириллов В. И. “Многоканальные системы передачи.” Учебник. М. 2002. - 751 с.

4. Бочков К. А., Серенков А. Г., Кондрачук В. Ф., Харлап С. Н., Автоматика, телемеханика и связь на транспорте: Пособие по оформлению дипломных проектов.” - Гомель: БелГУТ, - 2002. - 70 с.

Размещено на Allbest.ru