1,03

ПЧ - ЭЧ

0,18

0,21

ЭЧ - ВЧД

0,73

0,84

ВЧД - ДС

0,33

0,38

ДС - Резервный пост

0,65

0,75

Муфта R2 - Резервный пост

0,23

0,26

Резервный пост - ПМС

2,00

2,30

Итого:

6,51

7,50

3.2 Описание кросса, медиаконвертера и патч-кордов

При проектировании ВОЛС и для организации видеоконференцсвязи необходим медиаконвертер марки Allied Telesis AT-MC103XL, который конвертирует среду передачи. Он устанавливается между оптическим кроссом и маршрутизатором. Рассмотрим его основные характеристики.

Тип установки, особенности конструкции медиаконвертера Allied Telesis AT-MC103XL:

а) возможность установки в стойку при помощи опциональных комплектов AT-TRAY1, AT-WLMT, AT-MCR12;

б) возможность крепления при помощи опционального комплекта AT-WLMT.

Медиаконвертер Allied Telesis AT-MC103XL имеет следующие индикаторы статуса на передней панели:

- питание: отображает состояние питания медиа-конвертера;

- подключение (2): отображает правильность подключения;

- активность (2): отображает передачу или прием данных на порт;

- полный дуплекс: отображает состояние режима полного дуплекса;

- MissingLink: отображение состояния режима MissingLink.

Медиаконвертер Allied Telesis AT-MC103XL имеет следующую комплектацию интерфейсных портов:

а) медные интерфейсы: 1 интерфейс RJ-45 100BASE-TX Fast Ethernet;

б) оптические интерфейсы: 1 интерфейс SС 100BASE-FX (SM; до 15 км; 1310 нм) [9].

В качестве оконечного оборудования для оптических кабелей используются оптические кроссы.

Оптические кроссы настенные предназначены для коммутации многожильного оптического кабеля, соединительных шнуров и электронного оборудования, для многократных оперативных переключений. Корпус кросса представляет собой коробку, устанавливаемую на стену. Рассмотрим подробно конструкцию оптического кросса, монтируемого в 19-дюймовую стойку, с типичной емкостью 24 оптических порта.

Особенности данного типа оптического кросса следующие. Прочный корпус, со съемной задней стенкой. На боковых стенках предусмотрены овальные отверстия для патч-кордов и кабелей. Края отверстий защищены специальными накладками во избежание повреждения патч-кордов. В комплект панели входят крепления, которые устанавливаются в двух положениях: монтаж в 19- и 23-дюймовую стойку. Кроме того, система дополнительных боковых отверстий позволяет сдвигать крепления по глубине для регулирования выступа панели за пределы стойки или шкафа.

Доступ к кроссовому полю и сплайс-отсеку осуществляется спереди. Передняя крышка поднимается вверх и сдвигается назад по специальным полозьям. Она снабжена защелкой, препятствующей произвольному открыванию. Вместо защелки может быть установлен замок с ключом.

Сплайс-отсек расположен в нижней части панели и выдвигается вперед. Внешний кабель крепится к неподвижной части кросса. Чтобы вынуть сплайс-пластины с волокнами, освобождать внешний кабель не требуется, поскольку объемный сплайс-отсек позволяет уложить несколько витков запаса кабеля.

Сплайс-пластина имеет большие размеры. Это позволяет укладывать волокна разной длины, как очень длинные, так и очень короткие. Очень важное удобство при сварке волокон: все волокна разделываются на одну длину; если при монтаже одно из них сломалось, после повторной сварки оно станет короче и в маленькой кассете правильно не уложится. Сплайс-пластина имеет прозрачную крышку.

Кроссовое поле состоит из двух вертикальных рядов выдвигающихся кассет, внутри которых помещены оптические пигтейлы и адаптеры (розетки). Конструкция выдвигающихся кассет такова, что розетки можно менять, не пользуясь специальным инструментом. Внутри выдвигающейся кассеты можно уложить излишки оптических патч-кордов (до 6 м). Патч-корды не выступают за пределы переднего габарита панели и не касаются крышки панели, таким образом, повреждения при неправильном обращении исключены.

Радиусы изгиба патч-кордов - не менее 5 см, что исключает ущемление волокон.

При проектировании выбраны три типа кроссов в зависимости от количества входящих в кросс кабелей [10].

Это оптические кроссы, используемые для одномодовых волокон:

- W907-FC-D-12SM - на 12 разъемов;

- W913-FC-D-16SM - на 16 разъемов;

- КН-24-FC(ST) / SC - на 24 разъема.

Для соединения оптического кросса с медиаконвертером используется патч-корд переходной FC/UPC-SC/UPS длиной 3 метра.

Оптические адаптеры типов FC, SC, ST, LC (розетки) предназначены для соединения или подключения коннекторов, установленных на оптических соединительных и монтажных шнурах. Используются в патчпанелях оптических кроссов, активном оборудовании и измерительных приборах.

Расшифровка используемых адаптеров следующая.

SC, считается самым перспективным и применяется во всех отраслях ВОЛС. Прямоугольная форма внешней конструкции с малыми размерами обеспечивают высокую компактность соединителя SC. Конструкция - защелка с фиксатором (push-pull) - обеспечивает простое подключение и большую концентрацию соединителей на оптических панелях. Соединитель SC выпускается как на многомодовое (MM), так и на одномодовое (SМ) волокно. FC - это резьбовой соединитель. Был разработан в начале 80-х годов. Он имеет резьбовой наконечник того же диаметра, что и ST и SC (2,5 мм). Преимущественно используется с одномодовым волокном. Его оптические характеристики такие же, как у SC. Патч-корд представляет собой соединительный шнур, кабель обжатыми на концах коннекторами, основное предназначение которого осуществлять соединение между различными устройствами. Наконечники центрируются в специальных втулках, которые для многомодовых адаптеров обычно изготавливаются из бронзы, а для одномодовых -- из керамики [11].

3.3 Расчет длин регенерационных участков

Для определения длин регенерационных участков, сначала необходимо рассчитать параметры ВОК.

На проектируемом участке связи для организации ВОЛС применяется кабель Corning, имеющий фирменное обозначение SMF - 286. Технические характеристики кабеля позволяют разместить его на опорах контактной сети до 110 кВ и эксплуатировать при температуре окружающей среды от -60 до +85°С. Кабель гарантированно выдерживает растягивающие нагрузки до 10 кН, ветровые нагрузки со скоростью ветра до 43 м/с.

На участке Петрушенко-Московка в качестве среды передачи используется кабель ОКМС-А-2/4(2,4)Сп-8(2), в котором используются волокна фирмы Corning. Технические характеристики ОВ представлены в таблице 3.7.

Таблица 3.7 - Технически характеристики ВОК Corning

Параметр	Значение параметра
Марка ОВ	SMF-28e+™
Рабочая длина волны, нм	1310 - 1625
Соответствие стандарту ITU-T	G.652
Коэффициент затухания, дБ/км, не более: на длине волны 1310 нм на длине волны 1383 нм на длине волны 1490 нм на длине волны 1550 нм на длине волны 1625 нм	0,35 0,34 0,24 0,20 0,23
Коэффициент хроматической дисперсии, пс/нм·км, менее: на длине волны 1310 нм на длине волны 1550 нм на длине волны 1625 нм от 1310 до 1324	3,5 18 Н/д 22
Наклон дисперсионной характеристики в области длины волны нулевой дисперсии, пс/нм2·км, не более: в интервале длин волн от 1285 до 1330 нм	0,092
Поляризационная модовая дисперсия, пс/км, не более: индивидуального волокна линии (20 соединенных волокон)	0,10 0,06
Длина волны отсечки в кабеле, нм	1260
Диаметр модового поля, мкм на длине волны 1310 нм на длине волны 1550 нм	9,2±0,4 10,4±0,5
Геометрия стекла собственный изгиб волокна, м, не менее диаметр отражающей оболочки, мкм неконцентричность сердцевины и оболочки, мкм, не более некруглость оболочки, %, не более	4,0 125,0 ± 0,7 0,5 0,7
Хроматическая дисперсия, на длине волны, мкм: на длине волны 1310 нм на длине волны 1550 нм	Н/д Н/д
Изменение дисперсии в окне 1,55 мкм, пс/(нмкм):	7 - 11,5
Дисперсия поляризованной моды PMD, пс/, не более	0,2
Дисперсия PMD для протяженной линии, пс/,не более	0,1
Ограничение по PMD на скорость передачи, Гбит/с	Н/д
Параметр	Значение параметра
Диаметр сердцевины, мкм	8,2
Числовая апертура	0,14
Групповой показатель преломления: на длине волны 1310 нм на длине волны 1550 нм	1,4676 1,4682
Вид профиля показателя преломления	Ступенчатый
Фактор сопротивления динамической усталости	20/275
Диаметр покрытия, мкм	245±5

Основным элементом оптического кабеля является волоконный световод, выполненный в виде тонкого стеклянного волокна цилиндрической формы. Волоконный световод имеет двухслойную конструкцию и состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления n₁ и n₂.

Наиболее изучены характеристики световодов, для которых показатель преломления сердцевины n(r) меняется вдоль радиуса по закону показательной функции по следующей формуле.

, (3.1)

где n₁ - наибольшее значение показателя преломления сердечника;

- относительная разность показателей преломления;

r - радиус сердечника, мкм;

- текущий радиус, мкм;

u -показатель степени, определяющий изменение n(r);

n₂ - показатель преломления оболочки.

Относительная разность показателей преломления рассчитывается как

.

Чаще применяются световоды с параболическим профилем (u = 2).

Важной характеристикой световода является числовая апертура NA , представляющая собой синус максимального угла падения лучей на торец световода _м, при котором в световоде луч на границу «сердцевина - оболочка» попадает под критическим углом Q_кр.

(3.2)

От значения NA зависят эффективность ввода излучения лазера или светодиода в световод, потери на микроизгибах, дисперсия импульсов, число распространяющихся мод. Чем больше числовая апертура, тем больше уширение импульсов, а вследствие этого ниже пропускная способность волокна за счет большой модовой дисперсии и тем меньше потери на микроизгибах. Волокна, имеющие апертуру больше 0,2, называют высокоапертурными, а меньше 0,2 - низкоапертурными. Высокоапертурные волокна имеют сравнительно низкие потери на вводе, малочувствительны к изгибам, но имеют низкую пропускную способность. Их применяют для передачи сигналов на короткие расстояния. Низкоапертурные волокна получили широкое распространение на магистральных линиях связи из-за высокой пропускной способности.

При определенной длине волны наступает такой режим, когда луч падает на оболочку световода и отражается перпендикулярно. В световоде устанавливается режим стоячей волны, и энергия вдоль волокна не переносится. Это соответствует случаю критической длины волны и критической частоты. Критическая длина волны, мкм, определяется по формуле.

, (3.3)

где d-диаметр сердцевины световода, мкм.

Расчет критической частоты, Гц, проводится по формуле.

, (3.4)

где с - скорость света в вакууме, м/с.

При переходе из среды с большей плотностью в среду с меньшей плотностью луч при определенном угле падения полностью отражается и не переходит в другую среду. Угол падания , начиная с которого вся энергия отражается от границы раздела сред, называется углом полного внутреннего отражения. Этот угол определяется из соотношения.

. (3.5)

Для определения числа мод, передаваемых по волокну, необходимо рассчитать нормированную частоту V (3.6). Чем больше величина нормированной частоты, тем больше типов волн распространяется по волокну.

, (3.6)

где - рабочая длина волны, мкм.

Общее число передаваемых мод N для ступенчатого профиля волокна определяется по формуле (3.7), а для градиентного - по формуле (3.8).

; (3.7)

. (3.8)

Число мод определяет способность световода «принимать» свет. Чем больше мод, тем больше световой энергии можно ввести в волокно от источника. С увеличением числа мод полоса передаваемых частот снижается. Чем меньше число мод, тем лучше качество связи и можно организовывать большее число каналов.

В предельном идеализированном варианте по волокну возможна организация огромного числа каналов на большие расстояния. Фактически имеются большие ограничения, связанные с дисперсией.

Дисперсия - это расширение светового импульса по мере его движения по оптическому волокну. Расширение импульсов устанавливает предельные скорости передачи информации и при малых потерях ограничивает длину регенерационного участка. Выделяют несколько видов дисперсии межмодовая в многомодовых волокнах, в одномодовых световодах проявляются волноводная и материальная дисперсии, хроматическая, поляризационная. Межмодовая дисперсия возникает из-за наличия большого числа мод, каждая из которых распространяется вдоль волокна со своей скоростью. В одномодовых волокнах межмодовая дисперсия как таковая не проявляется, так, как для передачи используется одна мода. Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления сердцевины n₁, а значит, и скорости распространения от длины волны света, передаваемой по волокну. Волноводная дисперсия обусловлена зависимостью скорости распространения света от частоты. Оба вида дисперсии почти равны по абсолютной величине и противоположны по фазе в широком спектральном диапазоне. Соответственно они компенсируют друг друга. Сумма волноводной и материальной дисперсий в литературе называется хроматической дисперсией. Поляризационная дисперсия обусловлена отклонением формы сердцевины от цилиндрической. При этом световые волны со взаимно ортогональной поляризацией распространяются с различными скоростями. Уширение импульсов за счет различных видов дисперсии, нс/км, определяется по формуле, которая справедлива для всех типов световодов.

, (3.9)

где _мод - межмодовая дисперсия, нс/км;

_мат - материальная дисперсия, нс/км;

_вв - волноводная дисперсия, нс/км.

Межмодовая дисперсия , нс/км, для ступенчатого световода определяется по формуле (3.10).

. (3.10)

Материальная дисперсия, нс/км, рассчитывается по формуле (3.11).

(3.11)

где - ширина спектра излучения передающего модуля, мкм;

М - коэффициент удельной материальной дисперсии, нс/(км-мкм).

Коэффициент удельной материальной дисперсии определяется по формуле.

, (3.12)

где l_i - коэффициенты, определяемые экспериментально, мкм;

А_i - безразмерный коэффициент, определяемый экспериментально;

Р - значение, определяемое по (3.14);

n -показатель преломления, определяемый по (3.13).

. (3.13)

. (3.14)

Волноводная дисперсия, нс/км определяется по формуле (3.15).

(3.15)

где В - коэффициент удельной волноводной дисперсии, нс/(км-мкм).

Удельная волноводная дисперсия рассчитывается по формуле.

. (3.16)

Величина уширения импульса , нс, характеризуемая временем нарастания сигнала и определяемая как разность между самым большим и самым малым временем прихода лучей в сечении световода на расстояние L от начала, может быть рассчитана по формуле.

(3.17)

где L -длина световода, км.

Определив дисперсию волокна, можно рассчитать пропускную способность OB F (3.18) на один километр длины, предопределяющую полосу частот, пропускаемую световодом, ширину линейного тракта и, соответственно, объем информации, который можно передавать по оптическому кабелю.

, (3.18)

Другим параметром, определяющим длину регенерационного участка, является затухание волокна. Коэффициент затухания световодных трактов, обусловлен собственными и кабельными потерями. Собственные потери состоят из потерь поглощения энергии в диэлектрике и потерь рассеяния энергии на мельчайших частицах световода.

Затухание поглощения _п, дБ/км, связанное с потерями на диэлектрическую поляризацию рассчитывается по формуле (3.19). Оно линейно растет с частотой и существенно зависит от свойства материала световода (tg).

, (3.19)

где tg - тангенс угла диэлектрических потерь в световоде.

Рассеяние обусловлено неоднородностями материала волоконного световода, размеры которых меньше длины волны, и тепловой флуктуацией показателя преломления. Различают линейное и нелинейное рассеяние. При линейном рассеянии мощность рассеяния пропорциональна мощности падающей волны. В этом случае происходит частичное изменение направления потока энергии. Потери на рассеяние, дБ/км, возникающие в результате флуктуации показателя преломления, называются рэлеевскими и определяются по формуле.

, (3.20)

где К_р- коэффициент рассеяния, (дБ/км)мкм⁴.

Для кварца коэффициент рассеяния равен К_р=0,8 (дБ/км)мкм⁴.

Суммарные собственные потери _общ, дБ/км, возникающие в волокне, определяются по формуле.

(3.21)

Кабельные потери вызваны геометрией волокна (непостоянство поперечного сечения, нерегулярности, связанные с наличием макроизгибов и микроизгибов). Макроизгибы обусловлены скруткой световодов по длине кабеля, неоднородностями и наличием изгибов по длине кабеля, радиус которых существенно больше диаметра волокна. Дополнительное затухание , дБ, за счет потерь на макроизгибах определяется по выражению.

, (3.22)

где - числовой коэффициент;

r_из - радиус изгиба волокна, мкм;

d_c - диаметр сердечника, мкм.

Микроизгибы обусловлены конструктивно-технологическими неоднородностями, возникающими при изготовлении кабеля и волокна, транспортировки и хранении. Радиус микроизгиба сравним или меньше диаметра волокна. Расчет дополнительного затухания , дБ, за счет потерь на микроизгибе выполняется по формуле.

, (3.23)

где h - высота (радиус) микроизгиба, мкм;

d_cb- диаметр световода, мкм.

Волновое сопротивление световода может быть определено на основании выражений для электрического Е и магнитного Н полей. Однако в практических условиях пользуются предельными значениями волновых сопротивлений сердцевины , Ом, и оболочки , Ом, для плоской волны (3.24) и (3.25).

, (3.24)

где Z_o - волновое сопротивление идеальной среды, Ом.

. (3.25)

В реальных условиях волновое сопротивление волокна имеет промежуточное значение между Z_в1 и Z_в2.

Плоские волны, распространяются по световоду с определенной фазовой скоростью. Границы изменения фазовой скорости определяется по формуле.

, (3.26)

где n₁- показатель преломления сердечника или оболочки соответственно.

Используя вышеприведенные формулы, проведем расчет параметров оптического кабеля (в расчетах рассматривается ВОК марки ОКМС-А-4/2(2,4)Сп-8(2) производства ЗАО «Трансвок»). В кабеле используется оптическое волокно ступенчатого профиля производства фирмы Corning Inc. Сердцевина ОВ кварцевая, легированная германием, с показателем преломления n₁, равным 1,4682. Оболочка одинарная из чистого кварца с показателем преломления n₂, равным 1,4615. Защитное покрытие OB - двойное из акрилата ультрафиолетовой вулканизации: внутреннее - низкомодульное, наружное - высокомодульное. Диаметр сердцевины ОВ равен 8,2 мкм, диаметр оболочки -125 ± 1 мкм, диаметр покрытия - 245 ± 5 мкм.

Рассчитаем параметры ОВ для длины волны 1550 нм.

Определим показатель преломления оболочки

Используя формулы (3.3)-(3.5), определим критическое значение длины волны, критическую частоту и угол полного внутреннего отражения

Межмодовую дисперсию световода определяем по (3.6)

Затухание на макроизгибах рассчитаем по (3.22) для радиуса изгиба Рпз, равного 75 мм

Затухание за счет потерь на микроизгибе определяем по (3.23) для высоты микроизгиба h, равной 2 мкм

Волновое сопротивление сердечника и оболочки волокна рассчитаем по формулам (3.24) и (3.25)

Волновое сопротивление волокна находится в интервале между значениями z_b1 и Z_B2.

По (3.26) рассчитаем скорость распространения волны по сердечнику и оболочки волокна

Границы изменения значения фазовой скорости лежат в интервале значений между V₁ и V₂.

Далее рассчитаем параметры ОВ, зависящие от длины волны передающего модуля. В расчетах используется длина волны , равная 1,55 мкм.

По (3.6) и (3.7) определим нормированную частоту и число передаваемых мод по выбранному ОВ

Используя формулы (3.11) (3.16), оценим в первом приближении материальную и волноводную дисперсию при следующих параметрах: ширину спектра источника излучения принимаем равной 0,001 0,002 мкм для лазерного диода и 0,02 0,025 мкм для светоизлучающего. При расчетах рассматриваем лазерный диод. Значения коэффициентов А_i и L_i определяем экспериментально для различных структур световодов. Для световода, легированного германием, значения этих коэффициентов приведены в таблице 3.8 [12].

Таблица 3.8 - Значения коэффициентов А_i и l_i

Коэффициент	Значение коэффициента
i	1	2	3
Ai	0,7028554	0,4146307	0,8974540
li, мкм	0,0727723	0,1143085	9,8961610

Так как используется одномодовое ОВ, то межмодовая дисперсия отсутствует, поэтому хроматическая (суммарная) дисперсия определяется как сумма волноводной и материальной

Определим уширение импульса на расстоянии 100 км

Определим пропускную способность волокна на 1 км длины

Зная тангенс угла диэлектрических потерь кварца (10^-10), оценим затухание поглощения, рассеяния и общее затухание

Аналогично рассчитываются параметры ОВ для длины волны 1310 нм. Полученные результаты занесем в таблицу 3.9.

Таблица 3.9 - Параметры ОВ марки Corning SMF-28e

Параметр ОВ	Длина волны, нм
	1310	1550
Нормированная частота, V	2,75	2,33
Число передаваемых мод, N	7,58	5,41
Показатель преломление, n	1,454	1,449
Коэффициент Р, 10-3	-6,778	-6,45
Коэффициент М, нс/мкм.км	14,250	0,435
Материальная дисперсия, нс/км	0,029	8,7·10-4
Коэффициент В, нс/мкм.км	49,99	42,25
Волноводная дисперсия, нс/км	0,099	0,085
Суммарная дисперсия, нс/км	0,128	0,084
Уширение импульса на 100 км, нс	12,85	8,36
Пропускная способность на 1 км, Гбит/с	7,78	11,9
Затухание поглощения, дБ/км	3,059	2,586
Затухание рассеявания, дБ/км	0,272	0,139
Суммарное затухание, дБ/км	3,331	2,725
показатель преломления сердечника	1,4676	1,4682
показатель преломления оболочки	1,4609	1,4615
Числовая апертура	0,14	0,14

Проведенные расчеты позволяют в первом приближении оценить основные параметры ОМ оптических волокон. В настоящее время использование передовых технологий в производстве ОВ позволяет значительно улучшить параметры волокна. Для расчета характеристик используются интерполяционные формулы, которые более точно оценивают параметры ОВ [13].

Важными достоинствами ВОЛС перед кабелями с металлическими жилами является возможность замены 4-уровневой дорожной сети на 2-уровневую за счет большой избыточности по пропускной способности и реализации больших длин регенерационных участков.

При внедрении волоконно-оптических систем связи на сети встала проблема питания регенераторов на магистрали. Она была решена с помощью оптических усилителей. Оптические усилители можно ставить как на передаче, так и на приеме, а также между регенераторами.

При проектировании необходимо знать длину регенерационного участка , км, которая определяется по формуле (3.27).

, (3.27)

где А максимально допустимые потери на участок, дБ;

затухание разъемного соединителя, дБ;

п количество разъемных соединителей;

А_з эксплуатационный запас на затухание кабеля с учетом будущих изменений его конфигурации, дБ;

километрическое затухание одномодового ОВ на расчетной длине волны, дБ/км;

увеличение затухания ОВ при температуре воздуха ниже -40С, дБ/км;

- затухание неразъемного (сварного) соединения, дБ;

- строительная длина кабеля, км.

Максимально допустимые потери на участке - 33 дБ, затухание разъемного соединения - 0,4 дБ, разъемных соединителей нет, эксплуатационный запас - 4 дБ, увеличение затухания не превышает 0,01 дБ, затухание сварного соединения - 0,1 дБ, всего на участке. Строительная длина кабеля ОКМС - 4 км. Используя эти данные, определим значения участка регенерации для разных длин волн.

При длине волны 1310 нм длина регенерационного участка равна

При длине волны 1550 нм

Рассчитаем затухания участка связи. В настоящее время мультиплексоры снабжаются широким набором оптических линейных интерфейсов, работающих в различных диапазонах затухания. При окончательном выборе передающих модулей необходимо учитывать расстояние между узлами установки мультиплексоров и затухание участка. Затухание сигнала на регенерационном участке сети связи рассчитывается по формуле (3.28), дБ.

(3.28)

где L_уч длина участка по кабелю, км.

т количество сварных соединений.

Используя формулу (3.28), проведем расчет затухания на участке длиной 61 км для длины волны 1,55 мкм.

Исходя из проекта волоконно-оптического кабеля участка, нам известно точно количество сварных соединений - 18. Так же мы добавляем две муфты, для отвода кабеля на станции Входной. Поэтому общее число сварных соединений равно 20. Рассчитаемся затухание для обоих случаев.

Сначала рассмотрим участок с восемнадцатью муфтами, то есть для исходных данных.

Затухание сигнала на регенерационном участке сети связи для длины волны 1,31 мкм равно

Затухание сигнала на регенерационном участке сети связи для длины волны 1,55 мкм равно

Как видно из расчета, полученные значения удовлетворяют условие максимально допустимого затухания на участке на обеих длинах волн.

Далее произведем расчет для двадцати муфт, то есть с учетом дополнительных двух.

Тогда, затухание сигнала на регенерационном участке сети связи для длины волны 1,31 мкм равно

Затухание сигнала на регенерационном участке сети связи для длины волны 1,55 мкм равно

На основании полученных расчетов можно сделать следующий вывод. Так как затухание сигнала на регенерационном участке при разных длинах волн меньше максимально допустимого затухания, то можно говорить о возможности врезания двух оптических муфт в рассматриваемый кабель ОКМС-А-2/4(2,4)Сп-8(2).

4. Проектируемая схема организации ВКС

На основании проектируемой волоконно-оптической линии связи необходимо организовать видеоконференцсвязь. Для этого необходимо соединить все точки в одну сеть.

На рисунках 4.1 и 4.2 представлены проектируемые схемы организации связи. Как видно из рисунка, делается отвод от кабеля ОКМС-А-2/4(2,4)Сп-8(2) в точке Муфта R1. Кабель проходит до поста ЭЦ, затем от поста ЭЦ идет в МППВ, от МППВ до ПЧ, затем в ЭЧ, от ЭЧ до ВЧД, который затем соединяется со зданием ДС. Здание ДС, в свою очередь, соединяется с резервным постом. В здание резервного поста так же заходит кабель со второй муфты. Таким образом, сеть зарезервирована в местах, необходимых для этого. Далее от здания резервного поста кабель идет до ПМС.

Конечные точки ВОК приходят в здания на оптические кроссы, например RW908FC-D-16SM, модель кросса зависит от количества портов, необходимых для использования. Затем оптический кросс соединяется с медиаконвертером AT-MC103XL через патч-корд SC/UPC-FC/UPC, откуда уже по витой паре происходит подключение в маршрутизатор Cisco 1803.

Далее маршрутизаторы соединяются, например, с коммутаторами и затем соединяются с конечными абонентами.

На ПК конечных абонентов устанавливается программа My Phone 3, при помощи которой осуществляется связь между абонентами.

Сервер устанавливается в ЛАЗе РЦС Омск.



Рисунок 4.1 - Проектируемая структурная схема подключения пользователей аудио- и видеоконференцсвязи

Рисунок 4.2 - Проектируемая схема СПД между предприятиями станции Входной (на ВОЛС)5 Анализ возможности улучшение параметров QoS путем подбора алгоритмов обработки для трафика с разными приоритетами

4.1 Анализ программного обеспечения

Для повышения эффективности работы предприятия многие современные компании используют системы видеоконференцсвязи. Особенно это актуально для предприятий с территориально распределенной сетью филиалов и структурных подразделений. Одним из таких предприятий является ОАО «Российские железные дороги» (ОАО «РЖД»). Для организации ВКС может использоваться любая сеть передачи данных: Интернет, корпоративные сети, комбинированные структуры. Главным условием успешного выполнения задачи проведения видео совещаний является наличие достаточно широкой полосы пропускания на соответствующий период времени с малыми потерями и малыми задержками.

На базе ОАО «РЖД» существует внутренняя изолированная сеть передачи данных (СПД) для служебного пользования. Сеть охватывает все подразделения, дочерние общества и обособленные предприятия. Технологически сеть построена по стандартам и принципам сети Интернет, но не имеет с ней соединений.

Представляется возможным использование ресурсов этой сети для организации обмена видео-трафиком при сохранении гарантированной полосы пропускания для служебных программ, связанных с обеспечением информационного обмена для систем управления процессами перевозок (УПП).

Был проведен анализ передаваемого трафика на станции Омск. Он представлен в таблице 5.1.

Таблица 5.1 - Анализ передаваемого трафика по критериям

ПО	Управление перевозочным процессом	Оперативный обмен данными	Критичность по времени доступа	Критичность к задержкам потоков
1 ГИД, ЦУМР и др.	+	+	Высокий	Высокий
2 ВКС	-	+	Высокий	Высокий
3 Электронная почта, Аутент Д	-	+	Высокий	Средний
4 ЕКАСУФР, ФР и др.	-	+	Средний	Высокий
5 Обмен по http протоколам	-	+	Средний	Средний
6 АИС заявки, учет ТЭР и др. информацион-ных систем	-	+	Средний	Средний
ПО	Управление перевозочным процессом	Оперативный обмен данными	Критичность по времени доступа	Критичность к задержкам потоков
7 Обновление АВ	-	-	Низкий	Низкий
8 Обновление ПО и прочие программы	-	-	Низкий	Низкий
9 Обмен данными между серверами (синхронизация хранилищ ПО и баз данных о перемещении сотрудников)	-	-	Очень низкий	Очень низкий

Во внимание брались следующие критерии: управление перевозочным процессом, оперативный обмен данными, критичность по времени доступа и критичность к задержкам потоков.

Как и в любой корпоративной сети, в данной сети существуют антивирусные и почтовые сервера, контроллеры домена, общие хранилища документов, базы данных служебных программ. Трафик каждой программы имеет свой приоритет и потребность в актуальности и оперативности данных. Так, например, доступ пользователей к клиент-серверным базам данных (БД) должен осуществляться в оперативном режиме по запросу. В то же время установка обновлений программного обеспечения (ПО) и синхронизация некоторых БД может быть распределена по времени на несколько часов. Что касается организации и проведения ВКС, то для обеспечения качественного соединения потребуется гарантированная полоса на период проведения конференции, в остальное время обмена данными между клиентами ВКС нет.

Таким образом, совмещая задачи требования гарантированной полосы пропускания для одних программ и оптимального использования СПД другими программами, стоит говорить не только о введении приоритетов для разных видов трафика, но и о динамическом перераспределении полосы пропускания, заданной для этих приоритетов.

Предлагается следующее разделение приоритетов по группам:

а) 1 приоритет - программы информационного обмена УПП;

б) 2 приоритет - видеоконференцсвязь, электронная почта, ЕКАСУФР;

в) 3 приоритет - служебные программы с обменом данными по запросу (почтовые клиенты, программы идентификации и авторизации, доступ к хранилищам рабочей и нормативно-справочной документации, программы финансово-экономического блока, высокоприоритетное общепользовательское ПО и др.);

г) 4 приоритет - программы обмена неоперативными данными с требованием актуальности до нескольких часов (обновление операционных систем и программ, передача вспомогательной информации большого объема);

д) 5 приоритет - программы обмена данными не критичными к актуальности и низкоприоритетный трафик.

Трафику каждого приоритета выделяется определенная гарантированная полоса пропускания, которая при появлении возможности может расширяться за счет свободной полосы более приоритетного трафика. Отличительной особенностью перераспределения полосы пропускания в данном варианте является возможность расширения канала не для одного следующего приоритета, а для всех нижеследующих пропорционально их значимости.

4.2 Алгоритмы обработки трафика

Механизмы очередей используются в любом сетевом устройстве, где применяется коммутация пакетов -- маршрутизаторе, коммутаторе локальной или глобальной сети, конечном узле [14].

Необходимость в очереди возникает в периоды временных перегрузок, когда сетевое устройство не успевает передавать поступающие пакеты на выходной интерфейс. Если причиной перегрузки является процессорный блок сетевого устройства, то необработанные пакеты временно помещаются во входную очередь, т. е. в очередь на входном интерфейсе. В случае, когда причина перегрузки заключается в ограниченной скорости выходного интерфейса (а она не может превышать скорость поддерживаемого протокола), то пакеты временно хранятся в выходной очереди.

Оценка возможной длины очередей в сетевых устройствах позволила бы определить параметры качества обслуживания при известных характеристиках трафика. Однако изменение очередей представляет собой вероятностный процесс, на который влияет множество факторов, особенно при сложных алгоритмах обработки очередей в соответствии с заданными приоритетами или путем взвешенного обслуживания разных потоков. Анализом очередей занимается специальная область прикладной математики -- теория массового обслуживания (queuing theory), однако получить с ее помощью количественные оценки можно только для очень простых ситуаций, не соответствующих реальным условиям работы сетевых устройств. Поэтому служба QoS использует для поддержания гарантированного уровня качества обслуживания достаточно сложную модель, решающую задачу комплексно. Это делается с помощью следующих методов:

а) предварительное резервирование пропускной способности для трафика с известными параметрами (например, для средних значений интенсивности и величины блока пакетов);

б) принудительное профилирование входного трафика для удержания коэффициента нагрузки устройства на нужном уровне;

в) использование сложных алгоритмов управления очередями.

Чаще всего в маршрутизаторах и коммутаторах применяются следующие алгоритмы обработки очередей:

а) традиционный алгоритм FIFO;

б) приоритетное обслуживание (Priority Queuing), которое также называют «подавляющим»;

в) взвешенное справедливое обслуживание (Weighted Fair Queuing, WFQ).

Каждый алгоритм разрабатывался для решения определенных задач и поэтому специфическим образом воздействует на качество обслуживания различных типов трафика в сети. Возможно комбинированное применение этих алгоритмов.

Принцип алгоритма FIFO состоит в следующем. В случае перегрузки пакеты помещаются в очередь, а если перегрузка устраняется или уменьшается, пакеты передаются на выход в том порядке, в котором поступили («первым пришел -- первым ушел», First In -- First Out). Этот алгоритм обработки очередей по умолчанию применяется во всех устройствах с коммутацией пакетов. Он отличается простотой реализации и отсутствием потребности в конфигурировании, однако имеет принципиальный недостаток -- дифференцированная обработка пакетов различных потоков невозможна. Очереди FIFO необходимы для нормальной работы сетевых устройств, но они не справляются с поддержкой дифференцированного качества обслуживания.

Рассмотри алгоритм PQ - очередь с приоритетами. Механизм приоритетной обработки трафика предусматривает разделение всего сетевого трафика на небольшое количество классов с назначением каждому классу некоторого числового признака -- приоритета. Разделение на классы (классификация) может производиться разными способами.

Приоритеты могут назначаться не только коммутатором или маршрутизатором, но и приложением на узле-отправителе. Необходимо также учитывать, что каждое сетевое устройство может не согласиться с приоритетом, назначенным данному пакету в другой точке сети. В этом случае оно изменяет значение приоритета в соответствии с локальной политикой, хранящейся непосредственно на данном устройстве. Во избежание таких прецедентов следует использовать централизованные способы применения политики в сети, дабы обеспечить скоординированное функционирование устройств.

Пакеты могут разбиваться на очереди - классы по приоритетам в соответствии с типом сетевого протокола, например, IP, IPX или DECnet (заметим, что такой способ подходит только для устройств, работающих на втором уровне), на основании адресов получателя и отправителя и любых других комбинаций признаков, содержащихся в пакетах. Правила классификации пакетов на приоритетные классы являются составной частью политики управления сетью.

Конечный размер буферной памяти сетевого устройства предполагает некоторую предельную длину каждой очереди. Обычно по умолчанию всем приоритетным очередям отводятся буферы одинакового размера, но многие устройства разрешают администратору выделять каждой очереди индивидуальный буфер. Пакет, поступивший в то время, когда буфер заполнен, просто отбрасывается.

Поэтому приоритетное обслуживание обычно применяется в том случае, когда в сети есть чувствительный к задержкам трафик, но его интенсивность невелика, так что его наличие не слишком ущемляет остальной трафик. В частности, видеотрафик тоже требует первоочередного обслуживания, но имеет гораздо более высокую интенсивность. Для таких случаев разработаны алгоритмы управления очередями, дающие низкоприоритетному трафику некоторые гарантии даже в периоды повышения интенсивности высокоприоритетного трафика.

Взвешенное справедливое обслуживание (Weighted Fair Queuing, WFQ) это комбинированный механизм обслуживания очередей, сочетающий приоритетное обслуживание со взвешенным. Производители сетевого оборудования предлагают многочисленные собственные реализации WFQ, отличающиеся способом назначения весов и поддержкой различных режимов работы, поэтому в каждом конкретном случае необходимо внимательно изучить все детали поддерживаемого WFQ.

Наиболее распространенная схема предусматривает существование одной особой очереди, которая обслуживается по приоритетной схеме -- всегда в первую очередь и до тех пор, пока все заявки из нее не будут исполнены. Эта очередь предназначена для системных сообщений, сообщений управления сетью и, возможно, пакетов наиболее критических и требовательных приложений. Во всяком случае, предполагается, что ее трафик имеет невысокую интенсивность, поэтому значительная часть пропускной способности выходного интерфейса остается другим классам трафика.

Остальные очереди устройство просматривает последовательно, в соответствии с алгоритмом взвешенного обслуживания.

Администратор может задать вес для каждого класса трафика аналогично тому, как это делается в случае взвешенного обслуживания. Вариант работы по умолчанию предусматривает для всех остальных классов трафика равные доли пропускной способности выходного интерфейса (за вычетом, оставшейся от приоритетного трафика).

4.3 Расчет параметров качества обслуживания

Проведем сравнительный анализ основных параметров качества обслуживания (QoS) для дисциплин обслуживания PQ и CWBFQ в многоканальной системе массового обслуживания (СМО) с пуассоновским распределением входящего потока, экспоненциальным временем обслуживания при ограниченном буфере (по системе Кендела это СМО типа М/М/N:n). К основным параметрам QoS, характеризующих работу СМО М/М/N:n, относятся время ожидания в очереди, длина очереди и вероятность потерь при переполнении очереди.

При использовании дисциплины обслуживания с приоритетами PQ предположим, что классы сообщений, обозначаемые индексом р от 1 до r, пронумерованы в порядке уменьшения приоритета. Рассмотрим сообщение с приоритетом р, которое пребывает в систему в некоторый момент времени и через интервал поступает на обслуживание, т. е. начинается его передача по каналу.

Получим выражение для среднего времени ожидания сообщения с приоритетом р для многоканальной СМО с ожиданием и ограниченным буфером [15]. складывается из следующих компонентов: времена T_k, необходимые для обслуживания m_k сообщений с приоритетами k от 1 до р, уже ожидающих обслуживания в очереди к моменту поступления рассматриваемого сообщения, и времена Tґ_k (k = 1, 2, р-1), необходимые для обслуживания сообщений с более высоким приоритетом, которые могут поступить за интервал ожидания и будут обслужены раньше данного сообщения. Суммируя средние значения всех этих случайных величин по формуле (5.1), получим выражение для интервала ,с.

, (5.1)

; . (5.2)

Подставляя в (5.1) выражения (5.2) и упрощая полученную зависимость, приведем окончательное выражение для расчета среднего значения времени ожидания пакета интервал , с, при использовании дисциплины обслуживания PQ

 , (5.3)

Длина очереди в случае рассматриваемой СМО М/М/N:n с ограниченной очередью, согласно, рассчитывается с учетом приоритетов по формуле (5.4), вероятность переполнения очереди - по (5.5)

, (5.4)

где n_k - емкость буфера k-го приоритета.

(5.5)

Результаты расчетов по формулам (5.1) - (5.5) приведены ниже и показаны на рисунках 5.1 и 5.2.

Исходные данные: N = 60, n₁ = 40; n₂ = 30; n₃ = 20; м = 1000 c^-1, = 0,95.

Например, для второго приоритета в случае рассматриваемой СМО.

Тогда, длина очереди равна

Вероятность переполнения очереди при подстановке исходных данных

Во время ожидания обработки второго пакета приходит пакет с первым приоритетом, тогда длина очереди в случае рассматриваемой СМО равна

Рисунок 5.1 - Зависимость длительности ожидания от загрузки канала

Рисунок 5.2 - Зависимость длины очереди от загрузки канала

На рисунках 5.1 и 5.2 пунктирной линией для сравнения показана зависимость основных величин от загрузки канала для случая обслуживания FIFO, сплошной - соответствующие величины при дисциплине обслуживания PQ.

Как видно из расчетов, при использовании дисциплины обслуживания с приоритетами значительно улучшаются показатели QoS для трафика реального времени (приоритет 1). Время, затрачиваемое на обслуживание очереди второго и третьего приоритета при использовании дисциплины PQ, увеличилось.

Данный алгоритм имеет такие положительные стороны, как простота реализации и возможность малой задержки для пакетов высокоприоритетного потока, а также отрицательные, одна из которых влияние потоков друг на друга - если высокоприоритетная нагрузка будет постоянно поступать в очередь с высокой интенсивностью, то нагрузка остальных очередей будет блокирована. Следовательно, применение приоритетной дисциплины обслуживания оправдано, если заранее известно, что высокоприоритетный трафик имеет значительно меньшую интенсивность по сравнению с низкоприоритетным.

Данный отрицательный эффект можно нейтрализовать с помощью выделения каждому типу трафика фиксированной гарантированной полосы пропускания (в примере с помощью CBWFQ). В случае использования CBWFQ каждый пакет помещается в очередь соответствующего класса (приоритета). При этом для обслуживания каждой очереди выделяется пропускная способность r_i или определенное количество единиц канального ресурса N_k, что позволяет обеспечить минимальные гарантии по качеству обслуживания. В пределах одной очереди пакеты обслуживаются по принципу FIFO. Величина задержки в очереди вычисляется по формуле.

(5.6)

Среднее число заявок в очереди из выражения

(5.7)

Результаты расчетов по формулам (5.6) - (5.7) приведены ниже и на рисунках 5.3 и 5.4. Исходные данные: N₁ = 30; N₂ = 20; N₃ = 10; n₁ = 40; n₂ = 30; n₃ = 20; м = 1000 c^-1.

Рисунок 5.3 - Зависимость длительности ожидания от загрузки канала при WFQ

Рисунок 5.4 - Зависимость длины очереди от загрузки канала при WFQ

Приведенные графики на рисунках 5.3 и 5.4 показывают значительное улучшение параметров качества обслуживания при использовании WFQ по сравнению с PQ и FIFO.

Выводы: результаты расчетов показывают, что если загрузка канала не превышает 0,4, то влияние конкурирующих потоков минимально и можно использовать простейший алгоритм обработки очередей - FIFO. При увеличении загрузки канала, но невысокой доле трафика реального времени (около 10-15% от всего трафика) следует применить алгоритм PQ, в противном случае - CBWFQ или WFQ.

5. Обеспечение безопасности выполнения работ при эксплуатации сети видеоконференцсвязи с использованием ПЭВМ

5.1 Характеристика возможных опасных и вредных производственных факторов при обслуживании ПЭВМ

Опасные и вредные производственные факторы подразделяются по природе действия на следующие группы:

- физические;

- химические;

- биологические;

- психофизологические [16].

При работе с ПЭВМ на пользователя в той или иной степени могут воздействовать следующие физические факторы:

а) повышенные уровни переменного электромагнитного и электростатического полей;

б) повышенный уровень статического электричества;

в) повышенный уровень низкоэнергетического (мягкого) рентгеновского ионизирующего излучения;

г) повышенные уровни ультрафиолетового и инфракрасного излучения;

д) повышенное содержание положительных аэроионов в воздухе рабочей зоны;

е) пониженное содержание отрицательных аэроионов;

ж) аномальный уровень освещенности рабочей зоны;

з) повышенная яркость фрагментов светового изображения или света, попадающего в поле зрения пользователя;

и) повышенная неравномерность распределения яркости в поле зрения пользователя;

к) повышенная внешняя освещенность экрана;

л) повышенные пульсации светового потока источников света или светового потока, излучаемого экраном;

м) неблагоприятный для работы спектр излучения источников света;

н) повышенная временная нестабильность изображения; мерцание экрана;

о) изменение яркости свечения экрана; повышенная прямая блескость, вызванная попаданием в поле зрения работающего чрезмерно яркого п) света различных излучающих объектов;

р) повышенная отраженная блескость, обусловленная наличием зеркальных отражений (бликов), в том числе от экрана;

с) повышенный уровень шума;

т) аномальные температура, влажность и подвижность воздуха рабочей зоны;

у) повышенное значение напряжения в электрической цепи, замыкание которой может произойти через тело человека;

ф) пожар.

Наличие химических опасных и вредных факторов в помещениях с ПЭВМ в основном обусловлено широким применением полимерных и синтетических материалов для отделки интерьера, при изготовлении мебели, радиоэлектронных устройств и их компонентов, изолирующих элементов систем электропитания. Технология производства ПЭВМ предусматривает применение покрытий на основе лаков, красок, пластиков. При работе ПЭВМ нагреваются, что способствует увеличению концентрации в воздухе таких вредных веществ как формальдегид, фенол, полихлорированные бифенилы, аммиак, двуокись углерода, озон, хлористый винил.

К группе биологических вредных факторов, которые могут привести к заболеванию или ухудшению состояния здоровья пользователя, относится повышенное содержание в воздухе патогенных микроорганизмов, особенно в помещении с большим количеством работающих при недостаточной вентиляции, в период эпидемий.

Психофизиологические факторы, воздействующие на пользователя, приводят к его физическим и нервно-психическим перегрузкам.

Характерной при работе с ПЭВМ является такая физическая перегрузка, как длительное статическое напряжение мышц. Оно обусловлено вынужденным продолжительным сидением в одной и той же позе, часто неудобной, необходимостью постоянного наблюдения за экраном (напрягаются мышцы шеи, ухудшается мозговое кровообращение), набором большого количества знаков за рабочую смену (статическое перенапряжение мышц плечевого пояса и рук). При этом возникает также локальная динамическая перегрузка пальцев и кистей рук. Статическим перенапряжениям мышц способствуют неудовлетворительные эргономические параметры рабочего места и его компонентов (отсутствие подлокотников, пюпитра, подставки для ног), отсутствие возможности регулировки параметров рабочего стула, высоты рабочей поверхности стола, неудобное расположение клавиатуры и дисплея, отсутствие регламентированных перерывов, невыполнение специальных упражнений для снятия напряжения и расслабления мышечных групп плечевого пояса, рук, шеи, спины, улучшения кровообращения.

Нервно-психические перегрузки являются следствием информационного взаимодействия в системе «пользователь - ПЭВМ». Они обусловлены неудовлетворительными условиями зрительного восприятия изображения, несогласованностью параметров информационных технологий с психофизиологическими возможностями человека, необходимостью постоянного наблюдения за информационными символами, быстрого анализа динамично меняющейся информации, принятия на его основе адекватных решений и реализации соответствующих корректирующих воздействий.

К основным нервно-психическим перегрузкам относятся:

а) повышенные зрительные напряжения;

б) умственные и нервно-эмоциональные перегрузки;

в) длительная концентрация внимания; монотонность труда (однообразие трудового процесса, повторяемость операций, отсутствие возможности переключения внимания или изменения вида работы).

К факторам, приводящим к нервно-психическим перегрузкам, можно отнести повышенные пульсации световых потоков источников искусственного освещения и экрана ВДТ. Световые пульсации (даже незаметные для глаза) приводят к повышению общего и зрительного утомления, ухудшению зрительной работоспособности, снижению производительности труда. С уменьшением частоты пульсаций негативные эффекты усиливаются. К нервно-психическим перегрузкам приводит также низкочастотное (0…20 Гц) мерцание экрана, то есть кажущееся изменение яркости его свечения. Оно может появиться из-за взаимодействия пульсирующих световых потоков источников света и экрана.

Указанные факторы представляют достаточно широкий спектр физических и психофизических факторов, часть из которых по своему воздействию имеет разовый характер (электрический ток, пожарная опасность). Большинство же факторов постоянно воздействуют на всех без исключения пользователей ПЭВМ. Многие факторы, кажущиеся несущественными, при систематическом воздействии могут приводить к существенному снижению работоспособности и ухудшению здоровья пользователя [17].

5.2 Эргономический анализ организации рабочего места оператора ЭВМ

Рабочее место для выполнения работ сидя организуют при легкой работе, не требующей свободного передвижения работающего, а также при работе средней тяжести в случаях, обусловленных особенностями технологического процесса. Рабочее место должно быть организовано в соответствии с требованиями стандартов, технических условий и (или) методических указаний по безопасности труда [18]. Конструкцией рабочего места должно быть обеспечено выполнение трудовых операций в пределах зоны досягаемости моторного поля. Зоны досягаемости моторного поля в вертикальной и горизонтальной плоскостях для средних размеров тела человека приведены на рисунке 6.1.

Элементами рабочего места оператора являются:

- рабочий стол;

- кресло;

- подставка для ног;

- телефонный аппарат;

- устройства ввода-вывода (дисплей, клавиатура, мышь);

- основное оборудование (системный блок);

- дополнительное оборудование (принтер);

- рабочая документация.

Рациональная планировка рабочего места предусматривает четкий порядок размещения средств труда и документации. То, что требуется для выполнения работ чаще, расположено в зоне легкой досягаемости рабочего пространства. Моторное поле - это пространство рабочего места, в котором могут осуществляться двигательные действия человека.