Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Стремительное развитие информационных технологий не могли удовлетворить существующие способы связи, общество постепенно интегрировалось в информационное поле, что требовало новых подходов к выбору способов и методов коммуникации. Теоретические разработки ученых и первые эксперименты доказали, что возможность трансляции информационного потока с использованием света существенно эффективнее, чем передача сигнала посредством радиоволн в различных диапазонах.

Первые рабочие разработки были предложены в 1966 г. - ученые показали кабель из обыкновенного стекла. Первый волоконно-оптический кабель связи имел очень большой коэффициент затухания, что было неприемлемым. Исследования продолжались, но оставалось две основных проблемы - что использовать в качестве носителя сигнала и каким должен быть источник света для максимально эффективной передачи большого объема информации с минимальными потерями. Решение нашлось в 70-х годах прошлого века, когда были изобретены новые лазеры и появились новые материалы в качестве основы для кабеля. За последующие неполные полвека строительство волоконно-оптических линий связи стремительно развивалось:

- в 1988 г. была завершена прокладка первой масштабной линии связи между Японией и США;

- в 2003 г. впервые была достигнута скорость передачи сигнала около 11 Тбит/с;

- в 2009 г. испытания в области скоростной передачи данных преодолели новый рубеж - ученым удалось транслировать поток 15,5 Тбит/с без потери скорости на расстояние около 7000 км.

Исследования продолжаются, во всем мире происходит прокладка волоконно-оптических линий связи, которые позволяют передавать большие объемы информации на значительные расстояния.

Волоконно-оптическая связь является новой технологией передачи информации на значительные расстояния без потери качества сигнала. Информация транслируется по специальному кабелю, а в качестве среды распространения выбраны колебания электромагнитного поля в инфракрасном оптическом диапазоне. Благодаря своей колоссально пропускной способности, волоконно-оптические линии связи не имеют аналогов среди других способов передачи больших объемов информации.

Связь по оптическим кабелям (ОК) является одним из главных направлений научно-технического прогресса. Оптические кабели используются не только для организации телефонной городской и междугородной связи, но и для кабельного телевидения, видеотелефонирования, радиовещания, вычислительной техники, технологической связи и т.д.

В мире идет интенсивный процесс совершенствования, как оптических кабелей, так и оптоэлектронной аппаратуры. Получили широкое распространение оптические кабели с одномодовыми волокнами. Осваиваются новые диапазоны инфракрасного диапазона и новые материалы с малыми потерями. Разрабатываются широкополосные системы передачи информации на большие расстояния. Ведется строительство ВОЛС различного назначения: городских, зоновых, магистральных.

Волоконно-оптические системы связи получили широкое распространение по всему миру, постепенно вытесняя другие проводные способы передачи данных благодаря своим особенностям и уникальным характеристикам. Более подробно рассмотрим некоторые ключевые моменты:

- пропускная способность (это одна из основных характеристик, которая важна для линии связи; потенциал одного канала позволяет выйти на объем в несколько Тбит/с);

- универсальность (по оптическому кабелю можно передавать сигналы различной модуляции);

- минимальный коэффициент затухания (благодаря этому качеству, длина участка сети без использования дополнительных ретрансляторов или усилителей может достигать до 100 км);

- безопасность данных (к волоконно-оптической линии практически невозможно подключится злоумышленнику - в случае физического нарушения целостности канала сигнал перестанет проходить сквозь кабель, а надежное кодирование убережет от перехвата информации при помощи программных средств);

- пожарная безопасность (благодаря своему строению и используемым материалам, оптико-волоконные кабели не поддерживают горение и не приводят к образованию искры);

- экономическая выгода (несмотря на то, что стоимость прокладывания линии довольно высокая, она все равно будет дешевле и качественнее, чем традиционное соединение с использованием медного кабеля; дополнительно стоит учесть минимальные расходы на усилители сигнала, особенно, если речь идет о больших участках магистралей);

- надежность и долговечность (при использовании соединения в стандартных климатических условиях, срок службы кабеля и соединительного оборудования будет примерно в два раза больше, чем при эксплуатации медного кабеля).

Благодаря этим преимуществам линии связи на основе оптико-волоконных соединений пользуются большой популярностью в наше время по всему миру.

Осваиваются более высокие скорости передачи информации, позволяющие передавать большие объемы данных. Находят применение системы передачи синхронной цифровой иерархии (СЦИ), которая обладает существенными преимуществами по сравнению с системами предшествующих поколений, позволяет полностью реализовать возможности волоконно-оптических и радиорелейных линий передачи и создавать гибкие, удобные для эксплуатации и управления сети, гарантируя высокое качество связи. Таким образом, концепция SDH позволяет оптимально сочетать процессы высококачественной передачи цифровой информации с процессами автоматизированного управления, контроля и обслуживания сети в рамках единой системы.

Системы СЦИ обеспечивают скорости передачи от 155 Мбит/с и выше и могут транспортировать как сигналы существующих цифровых систем (например, распространённых на городских сетях ИКМ-30), так и новых перспективных служб, в том числе широкополосных. Аппаратура СЦИ является программно управляемой и интегрирует в себе средства преобразования, передачи, оперативного переключения, контроля, управления.

Благодаря появлению современных волоконно-оптических кабелей оказались возможными высокие скорости передачи в линейных трактах (ЛТ) цифровых систем передачи с одновременным удлинением секций регенерации до 100 км и более. Производительность таких ЛТ превышает производительность цифровых трактов на кабелях с металлическими парами в 100 и более раз, что радикально увеличивает их экономическую эффективность. Большинство регенераторов оказывается возможным совместить с оконечными или транзитными станциями. Из этого следует, что СЦИ - это не просто новые системы передачи, это и принципиальные изменения в сетевой архитектуре, организации управления. Внедрение СЦИ представляет собой качественно новый этап развития цифровой сети связи.

В данном проекте произведены обоснование необходимости строительства волоконно-оптической линии связи, выбор трассы прокладки оптического кабеля, выбор типа оптического кабеля, анализ параметров волоконно-оптической линии связи. В качестве системы передачи выбрана синхронная цифровая иерархия. Так же рассмотрены вопросы строительства волоконно-оптической линии связи, оценены технико-экономические показатели и приведены требования по охране труда.

Цель и задачи дипломного проектирования

Целью данного дипломного проекта является повышение эффективности и безопасности грузовых и пассажирских перевозок на участке Лида - Молодечно Белорусской железной дороги на основе оборудования его волоконно-оптической связью с использованием цифровой системы передачи SDH. Это позволит повысить качество связи, пропускную способность каналов, помехозащищенность, а также, учитывая долговечность и надёжность волоконно-оптического кабеля ВОК, снизить материальные затраты на строительство и обслуживание.

В дипломном проекте решаются задачи:

- анализа преимуществ ВОЛС, над проложенным на данном участке медным кабелем;

- модернизации существующей сети (анализируются отказы на выбранном участке);

- разработки трассы ВОЛС, выбора метода прокладки ВОК;

- выбора типа и ёмкости волоконно-оптического кабеля (ВОК);

- выбора волоконно-оптической системы передачи (ВОСП);

- разработки схемы организации связи;

- рассмотрения особенностей строительства и монтажа ВОЛС на данном участке железной дороги;

- расчёта основных параметров ВОЛС (длины усилительного и регенерационного участков, дисперсии);

- технико-экономического расчёта;

- требований охраны труда при строительстве ВОЛС;

- анализа качества ВОЛС, методом суммарных рефлектограмм.

1. Обзор источников информации

волоконный оптический кабель сеть

При работе над дипломным проектом были рассмотрены источники литературы, которые содержат материал о волоконно-оптических линиях связи, так как тема дипломного проекта «Организация волоконно-оптической линии связи на участке железной дороги».

В книге [1] представлены основы передачи сигнала по оптическому волокну, волоконно-оптический кабель (непосредственно типы оптических волокон, конструкция кабеля, характеристики оптического волокна). Одна из глав посвящена ухудшению передачи света (потери или ослабления сигнала в оптическом волокне, дисперсия, поляризационные свойства и другие типы ухудшений системы передачи). Также имеется глава, посвященная синхронной цифровой иерархии SDH. Рассмотрена наружная прокладка ВОЛС.

В учебном пособии [2] рассмотрены волоконно-оптические линии связи, основы проектирования ВОЛС, а именно, процесс проектирования, выбор оптического кабеля, расчет длины регенерационного участка.

В сборнике [3] имеется информация о линиях связи и типах кабеля, отдельно рассмотрен волоконно-оптический кабель. Одна из глав посвящена первичным сетям, сетям SDH.

В учебном пособии [4] излагаются вопросы проектирования волоконно-оптической связи, а именно, выбор топологии построения, резервирование каналов на участках, выбор технологии и оборудования передачи данных, выбор типа волоконно-оптического кабеля, расчет параметров волоконно-оптических линий связи, расстановка усилительных пунктов, расчет надежности ВОСП. Также рассмотрены проблемы экономической эффективности волоконно-оптической связи, охраны труда при технической эксплуатации волоконно-оптических систем передачи.

Учебник [5] рассматривает основные сведения о ВОЛС, а именно, преимущества / недостатки ВОЛС, основные компоненты ВОЛС, типы оптических волокон, распространение света по волокну, характеристики поставляемых волокон.

В учебном пособии [6] изложены основные сведения о линиях связи и системах передачи. Основное внимание уделено волоконно-оптическим системам передачи, оптическому волокну, параметрам оптических волокон, волоконно-оптическим кабелям связи. Рассмотрена синхронная цифровая иерархия.

Учебное пособие [7] раскрывает основы теории распространения световых сигналов по оптическим волокнам и характеристики, определяющие их качество и долговечность; оптоэлектронные и пассивные элементы ВОЛС; механические и оптические характеристики оптических кабелей связи и методы измерений последних; вопросы проектирования, строительства и эксплуатации ВОЛС. Изложены вопросы современных технологий прокладки, монтажа и диагностики состояния ВОЛС в процессе эксплуатации.

При создании дипломного проекта за основу взят сборник [8], в котором раскрываются практически все разделы волоконно-оптической системы передачи (ВОСП). Основные разделы данного сборника посвящены: истории развития волоконной оптики и ВОСП, оптическому волокну как среде передачи для ВОСП, волоконно-оптическим системам передачи (ВОСП), активным и пассивным компонентам ВОСП, характеристике оптических волокон и кабелей, методам измерения оптических компонентов, строительству и эксплуатации ВОЛС, контролю и мониторингу ВОЛС.

В сборнике [9] изложены основные понятия и теоретические основы волоконно-оптических компонентов, линий связи и систем передачи, а также методов контроля и измерения их параметров. Рассмотрены рефлектометрические измерения параметров волоконно-оптических линий связи.

В сборнике [10] последовательно изложены основные аспекты построения и использования волоконно-оптических цифровых систем передачи, принадлежащих к синхронной цифровой иерархии SDH. Рассмотрены основы построения и управления систем передачи SDH.

В учебнике [11] рассмотрены следующие основные темы: сведения о волоконно-оптической связи, распространение световых волн в материальных средах, компоненты волоконно-оптических систем передачи, помехоустойчивасть и оптимизация волоконно-оптических систем передачи, проектирование волоконно-оптических кабельных магистралей, строительство и эксплуатация волоконно-оптических линий связи.

Учебное пособие [12] рассматривает физические процессы в волокнах, оптические потери в световодах, материалы для изготовления оптических волокон, конструкции оптических кабелей, строительство и монтаж волоконно-оптических линий связи.

В учебном пособии [13] приводится методика технико-экономических обоснования решений, принимаемых в дипломных проектах.

Основные правила техники безопасности и производственной санитарии при эксплуатации контактной сети электрифицированных железных дорог и устройств автоблокировки расписаны в источнике информации [14].

Литература [15-18] это типовые инструкции Белорусской железной дороги по охране труда при монтаже и технической эксплуатации волоконно-оптической линии передачи, по проектированию волоконно-оптических линий на сети связи, по строительству волоконно-оптических линий на сети связи Белорусской железной дороги.

В лабораторном практикуме [19] рассмотрены вопросы, связанные с кабельными потерями, измерениями ВОЛП с помощью оптического рефлектометра, принципом работы оптического рефлектометра, типами событий на рефлектограммах, характеристиками оптического рефлектометра, расшифровкой и анализом рефлектограмм, причинами повреждений волоконно-оптических линий передач.

Сайт [20] предоставляет основные правила прокладки ВОЛС. Описаны способы соединения кабеля.

Каталог волоконно-оптических кабелей, предназначенных для различных способов прокладки кабеля представлен на сайте [21]. После выбора кабеля, предоставляется информация о назначении, о технических характеристиках, об условиях эксплуатации и монтажа, о стоимости ВОК.

Одним из основных факторов, определяющих надежность и скорость работы систем, оборудованных оптоволоконным кабелем, является качество монтажа ВОЛС в целом и отрезков кабеля в частности. Информацию о монтаже и выборе аппаратуры, стоимости производства монтажа можно найти на сайте [22].

Выбрать кабель, ознакомиться с конструкцией кабеля, основными и дополнительными характеристиками, примерами маркировки, аналогами продукции, просмотреть изображения ВОК можно с помощью электронного ресурса [23].

Возможные причины и следствия повреждения ВОК представлены в статье [24].

Для описания раздела «энергосбережение и охрана окружающей среды при строительстве ВОЛС» был использован интернет ресурс [25]. Он описывает общие сведения об учете отходов производства. Подробно рассмотрены отходы, образующиеся в результате строительной деятельности.

Сведения о передвижных лабораториях ВОЛС различной стоимости и вида, типовой ее комплектации представлены на сайте [26].

Описание основных событий на рефлектограммах оптических волокон, методе измерения и основных ошибках излагается сайтом [27].

Как видно из приведенного обзора литературы тема дипломного проекта является несомненно актуальной. Выбранные источники информации достаточны для выполнения данного дипломного проекта.

2. Техническая часть

2.1 Теория оптического волокна

Структура и характеристики ОВ

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

Рисунок 2.1. Структура оптоволоконного кабеля

Структура оптоволоконного кабеля очень проста и похожа на структуру коаксиального электрического кабеля (рисунок 2.1). Только вместо центрального медного провода здесь используется тонкое (диаметром около 1 мкм - 10 мкм) стекловолокно, а вместо внутренней изоляции - стеклянная или пластиковая оболочка, не позволяющая свету выходить за пределы стекловолокна. В данном случае речь идет о режиме так называемого полного внутреннего отражения света от границы двух веществ с разными коэффициентами преломления (у стеклянной оболочки коэффициент преломления значительно ниже, чем у центрального волокна). Металлическая оплетка кабеля обычно отсутствует, так как экранирование от внешних электромагнитных помех здесь не требуется. Однако иногда ее все-таки применяют для механической защиты от окружающей среды (такой кабель иногда называют броневым, он может объединять под одной оболочкой несколько оптоволоконных кабелей).

Оптоволоконный кабель обладает исключительными характеристиками по помехозащищенности и секретности передаваемой информации. Типичная величина затухания сигнала в оптоволоконных кабелях на частотах, используемых в локальных сетях, составляет от 5 дБ/км до 20 дБ/км, что примерно соответствует показателям электрических кабелей на низких частотах. Но в случае оптоволоконного кабеля при росте частоты передаваемого сигнала затухание увеличивается очень незначительно, и на больших частотах (особенно свыше 200 МГц) его преимущества перед электрическим кабелем неоспоримы, у него просто нет конкурентов.

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) позволяют передавать аналоговые и цифровые сигналы на дальние расстояния, в некоторых случаях - на десятки километров. Преимущества оптики хорошо известны: это иммунитет к шумам и помехам, малый диаметр кабелей при огромной пропускной способности, устойчивость к взлому и перехвату информации, отсутствие нужды в ретрансляторах и усилителях и т.д.

Когда-то были проблемы с оконечной заделкой оптических линий, но сегодня они в основном решены, так что работать с этой технологией стало гораздо проще. Есть, однако, ряд вопросов, которые надо рассматривать исключительно в контексте областей применения. Как и в случае с передачей по «меди» или радиоканалу, качество волоконно-оптической связи зависит от того, насколько хорошо согласованы выходной сигнал передатчика и входной каскад приемника. Два наиболее критичных параметра ВОЛС: выходная мощность передатчика и потери при передаче - затухания в оптическом кабеле, который соединяет передатчик и приемник.

Типы ОВ

Существуют два различных типа оптоволоконного кабеля:

- многомодовый или мультимодовый кабель, более дешевый, но менее качественный;

- одномодовый кабель, более дорогой, но имеет лучшие характеристики по сравнению с первым (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2. Различия в физических параметрах одномодового и многомодовых оптических кабелей

Суть различия между этими двумя типами сводится к разным режимам прохождения световых лучей в кабеле (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3. Многомодовое (а), градиентное (б) и одномодовое (в) оптическое волокно

В одномодовом кабеле практически все лучи проходят один и тот же путь, в результате чего они достигают приемника одновременно, и форма сигнала почти не искажается. Одномодовый кабель имеет диаметр центрального волокна около 1,3 мкм и передает свет только с такой же длиной волны (1,3 мкм). Дисперсия и потери сигнала при этом очень незначительны, что позволяет передавать сигналы на значительно большее

расстояние, чем в случае применения многомодового кабеля. Для одномодового кабеля применяются лазерные приемопередатчики, использующие свет исключительно с требуемой длиной волны. Такие приемопередатчики пока еще сравнительно дороги и не долговечны. Однако в перспективе одномодовый кабель должен стать основным типом благодаря своим прекрасным характеристикам. К тому же лазеры имеют большее быстродействие, чем обычные светодиоды. Затухание сигнала в одномодовом кабеле составляет около 5 дБ/км и может быть даже снижено до 1 дБ/км.

Стандартное одномодовое оптическое волокно имеет диаметр сердцевины 9 мкм и диаметр оболочки 125 мкм. В этом оптоволокне существует и распространяется только одна мода (точнее две вырожденные моды с ортогональными поляризациями), поэтому в нем отсутствует межмодовая дисперсия, что позволяет передавать сигналы на расстояние до 50 км со скоростью до 2,5 Гбит/с и выше без регенерации.

Рабочие длины волн л1 = 1,31 мкм и л2 = 1,55 мкм.

В многомодовом кабеле траектории световых лучей имеют заметный разброс, в результате чего форма сигнала на приемном конце кабеля искажается. Центральное волокно имеет диаметр 62,5 мкм, а диаметр внешней оболочки 125 мкм (это иногда обозначается как 62,5/125). Для передачи используется обычный (не лазерный) светодиод, что снижает стоимость и увеличивает срок службы приемопередатчиков по сравнению с одномодовым кабелем. Длина волны света в многомодовом кабеле равна 0,85 мкм, при этом наблюдается разброс длин волн около 30 - 50 нм. Допустимая длина кабеля составляет 2 - 5 км. Многомодовый кабель - это основной тип оптоволоконного кабеля в настоящее время, так как он дешевле и доступнее. Затухание в многомодовом кабеле больше, чем в одномодовом и составляет 5 - 20 дБ/км.

Дисперсия в оптическом волокне

Дисперсия - явление, выраженное в зависимости скорости распространения и фазы электромагнитного излучения от длины волны этого излучения.

Самым знакомым примером дисперсии является радуга. При этом дисперсия вызывает пространственное разделение белого света в компоненты различных длин волн. На явлении дисперсии основана работа спектрометров. Также дисперсия используется в голографии.

Явление дисперсии приводит к уширению светового импульса при распространении в волокне, что негативно сказывается на качестве передачи информации.

Существуют три разновидности дисперсии в оптоволокне: межмодовая дисперсия, хроматическая дисперсия, поляризационная дисперсия.

Межмодовая дисперсия - уширение светового импульса при распространении в волокне, связанное с различием времени распространения его компонент (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4. Межмодовая дисперсия в оптическом волокне

Лучи, падающие под углом, равным критическому углу и_пр, проходят в 1/sinи_пр раз большее расстояние, чем аксиальные лучи. Из-за большей длины пути, который проходят эти лучи, они отстают от аксиальных лучей на интервал времени ДT, определяемый отношением:

ДT /T = 1/ sinи_пр -1, (1)

где: T - время распространения импульса вдоль волновода по кратчайшему пути,

ДT - время задержки луча, распространяющегося под углом, близким к критическому.

Обратная ДT величина называется шириной спектра пропускания (1/ДT) и определяет ширину спектра модулирующего сигнала, который может быть передан по волокну с малыми потерями. Ширина спектра пропускания уменьшается с увеличением длины волновода. Максимальная скорость передачи информации в ОВ с малыми искажениями определяется шириной спектра пропускания модулирующего сигнала (в зарубежной технической литературе модулирующий сигнал называют электрическим сигналом).

Хроматическая дисперсия - зависимость групповой скорости распространения моды от длины волны передаваемого сигнала.

Хроматическая дисперсия состоит из материальной и волноводной составляющих и имеет место при распространении как в одномодовом, так и в многомодовом волокне. Однако наиболее отчетливо она проявляется в одномодовом волокне из-за отсутствия межмодовой дисперсии.

Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления волокна от длины волны.

Волновая дисперсия обусловлена зависимостью коэффициента распространения моды от длины волны.



Рисунок 2.5. Хроматическая дисперсия

Расширение световых импульсов из-за хроматической дисперсии может быть скомпенсировано. Принцип компенсации заключается в том, что излучение проходит два участка: с положительной и отрицательной дисперсией. Световой импульс после прохождения отрезка волокна с положительной дисперсией расширяется т.к. его различные спектральные компоненты распространяются с разной скоростью. В результате импульс становится частотно модулированным: на фронте сосредоточены коротковолновые спектральные компоненты, а на спаде - длинноволновые компоненты. Это связано с тем, что в волокне с положительной дисперсией коротковолновые компоненты распространяются с большей скоростью, чем длинноволновые. Во втором волокне с отрицательной дисперсией фронт импульса распространяется с меньшей скоростью, чем спад, и это приводит к сжатию импульса.

Поляризационная модовая дисперсия - это явление увеличения длительности импульса сигнала, связанное с различием скоростей распространения двух поляризаций по оптоволокну, т.е. ПМД является следствием явления двулучепреломления (анизотропии), которое заключается в поляризационной зависимости показателя преломления. В общем случае основную моду оптического поля можно представить в виде суперпозиции двух ортогонально поляризованных мод. Материал, из которого изготавливаются волокна, считается изотропным. Но, как правило, идеально круглая форма оболочки на практике имеет небольшие отклонения, допускаемые нормативными документами.

Ввиду этого, а также из-за возможных внешних воздействий, таких как сдавливание, кручение и изгиб, возникает явление двулучепреломления. В результате симметрия нарушается, появляется анизотропия, и, как следствие, в волокне распространяются две ортогонально поляризованные волны, обладающие разными фазовыми и групповыми скоростями.

Различие скоростей распространения поляризационных компонентов приводит к возникновению временной задержки, которую принято называть дифференциальной групповой задержкой DGD (Differential Group Delay), приводящей к уширению сигнала.

Состояния поляризации, задающие самое быстрое и самое медленное распространение сигнала, называются быстрым и медленным главными состояниями поляризации. Оси этих линейных поляризаций называются соответственно «быстрой» и «медленной» осями анизотропной среды. Разница скоростей приводит к запаздыванию импульса, поляризованного вдоль медленной оси PSP, от импульса, поляризованного вдоль быстрой оси PSP, на величину относительной задержки дф (рисунок 2.6).

Рисунок 2.6. Поляризационная модовая дисперсия

Рисунок 2.7. Окна прозрачности оптоволокна

Здесь голубым цветом выделены те самые окна прозрачности ОВ. Все они, находятся в инфракрасном диапазоне. Образовывалась такая характеристика оптических волокон из природной прозрачности кварца и примесей присутствующих в стекле сердцевины оптоволокна. Соответственно под эти окна проектировалась приёмо-передающая аппаратура. В современных волокнах большой пик между вторым и третьим окном прозрачности, обусловленный присутствием гидроксильной группы в материале оптоволокна отсутствует.

В настоящее время оптоволокно с такой характеристикой уже считается устаревшим. Достаточно давно освоен выпуск оптоволокна типа AllWave ZWP (zero water peak, с нулевым пиком воды), в котором устранены гидроксильные ионы в составе кварцевого стекла. Такое стекло имеет уже не окно, а прямо таки проём в диапазоне от 1300 нм до 1600 нм.

Все окна прозрачности лежат в инфракрасном диапазоне, то есть свет, передающийся по ВОЛС, не виден глазу. Стоит заметить, что в стандартное оптоволокно можно ввести и видимое глазом излучение. Для этого применяют либо небольшие блоки, присутствующие в некоторых рефлектометрах, либо даже слегка переделанную китайскую лазерную указку. С помощью таких приспособлений можно находить переломы в шнурах. Там, где оптоволокно сломано, будет видно яркое свечение. Такой свет быстро затухает в волокне, так что использовать его можно только на коротких расстояниях (не более 1 км).

2.2 Разновидности и конструктивные особенности ВОК

Конструкции ВОК в основном определяются назначением и областью их применения. В связи с этим имеется много конструктивных вариантов. В настоящее время в различных странах разрабатывается и изготавливается большое число типов кабелей.

Однако все многообразие существующих типов кабелей можно подразделять на три группы:

- кабели повивной концентрической скрутки;

- кабели с фигурным сердечником;

- плоские кабели ленточного типа.

Кабели первой группы имеют традиционную повивную концентрическую скрутку сердечника по аналогии с электрическими кабелями. Каждый последующий повив сердечника по сравнению с предыдущим имеет на шесть волокон больше. Известны такие кабели преимущественно с числом волокон 7, 12, 19. Чаще всего волокна располагаются в отдельных пластмассовых трубках, образуя модули.

Кабели второй группы имеют в центре фигурный пластмассовый сердечник с пазами, в которых размещаются ОВ. Пазы и соответственно волокна располагаются по геликоиде, и поэтому они не испытывают продольного воздействия на разрыв. Такие кабели могут содержать 4, 6, 8 и 10 волокон. Если необходимо иметь кабель большой емкости, то применяется несколько первичных модулей.

Кабель ленточного типа состоит из стопки плоских пластмассовых лент, в которые вмонтировано определенное число ОВ. Чаще всего в ленте располагается 12 волокон, а число лент составляет 6, 8 и 12. При 12 лентах такой кабель может содержать 144 волокна.

В оптических кабелях кроме ОВ, как правило, имеются следующие элементы:

- силовые (упрочняющие) стержни, воспринимающие на себя продольную нагрузку, на разрыв;

- заполнители в виде сплошных пластмассовых нитей;

- армирующие элементы, повышающие стойкость кабеля при механических воздействиях;

- наружные защитные оболочки, предохраняющие кабель от проникновения влаги, паров вредных веществ и внешних механических воздействий.

Чтобы изолировать волокно от механических воздействий, что позволяет осуществлять передачу с минимумом потерь, и предохранить его от повреждений, разработаны два типа защиты первого уровня: свободный буфер и плотный буфер.

В конструкции со свободным буфером (рисунок 2.8) волокно заключается в не очень гибкую пластиковую трубку, внутренний диаметр которой значительно превосходит диаметр волокна. Эта трубка обычно заполняется особым гелем. Таким образом, волокно изолируется от внешних механических воздействий, которым подвержен кабель. В многожильном кабеле имеется несколько таких трубок, содержащих по одному или несколько волокон, которые совместно с силовыми элементами кабеля (арматурой) позволяют освободить волокна от механических напряжений и уменьшить растяжение и усадку кабеля. Все они могут, в свою очередь, размещаться в заполненной желеобразным веществом трубке, поверх которой располагается наружная оболочка кабеля.

Рисунок 2.8. ВОК со свободным буфером

Для таких кабелей нежелательны большое количество изгибов и прокладка по вертикали (допускается не более 5 м), поскольку, в них возникают микроизгибы и механические напряжения, а также смещение волокон. Кроме того, возникают дополнительные сложности при монтаже соединений, так как помимо удаления оболочки и установки коннектора, необходимы очистка волокна, продувка трубок и заделка соединений, установка их в специальных втулках, муфтах или коробках. Еще существует необходимость исключить возможность проникновения влаги и веществ, которые могут взаимодействовать с заполнением кабеля.

В конструкции с плотным буфером (рисунок 2.9) защитный слой вокруг волокна в оболочке создается методом выдавливания пластмассы. Эта конструкция обладает значительно большей стойкостью к растяжениям, сжатиям и ударам, они допускают изгибы меньшего радиуса (но не менее 20 диаметров волокна). Прокладка такого кабеля осуществляется гораздо проще, и намного проще реализуются соединения. Эти кабели имеет малые диаметры и вес, они устойчивы к воздействию влаги и различных веществ и огнестойкие. В последнее время характерно преимущественное использование кабелей с плотным буфером.

Рисунок 2.9. ВОК с плотным буфером

2.3 Волоконно-оптические линии связи

Основные сведения о ВОЛС

Оптоволоконные сети, безусловно, являются одним из самых перспективных направлений в области связи. Пропускные способности оптических каналов на порядки выше, чем у информационных линий на основе медного кабеля. Кроме того, оптоволокно невосприимчиво к электромагнитным полям, что снимает некоторые типичные проблемы медных систем связи, такие как грозы и электрические наводки. Оптические сети способны передавать сигнал на большие расстояния с меньшими потерями. Несмотря на то, что эта технология все еще остается дорогостоящей, цены на оптические компоненты постоянно падают, в то время как возможности медных линий приближаются к своим предельным значениям и требуются все больших затрат на дальнейшее развитие этого направления. В силу дороговизны оптический кабель пока используется для построения внешних магистралей, в пределах здания по-прежнему используются медные провода. В основе оптоволоконных технологий лежит принцип использования света, как основного источника информации. Отправитель преобразовывает информацию в световую волну, а адресат, получая последнюю, в свою очередь интерпретирует свет как информацию.

Свет гораздо проще передать на дальнее расстояние с меньшими потерями, нежели электрический ток. Кроме того, он не подвержен воздействию электромагнитных полей и способен передавать на порядки большее количество информации. С другой стороны оптические технологии во многом являются более тонкими, поэтому качественная реализация оптоволоконного проекта требует детального понимания механизма передачи света и применяемых законов оптики.

Преимущества и недостатки ВОЛС

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

- Широкая полоса пропускания обусловлена чрезвычайно высокой частотой несущей 1014 Гц. Это дает потенциальную возможность передачи по одному оптическому волокну потока информации в несколько Тбит/с.

- Большая полоса пропускания - это одно из наиболее важных преимуществ оптического волокна над медной или любой другой средой передачи информации.

- Высокая помехозащищенность. Поскольку волокно изготовлено из диэлектрического материала, оно невосприимчиво к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем и электрического оборудования, способного индуцировать электромагнитное излучение (линии электропередачи, электродвигательные установки и т.д.). В многоволоконных кабелях также не возникает проблемы перекрестного влияния электромагнитного излучения, присущей многопарным медным кабелям.

- Высокая защищенность от несанкционированного доступа. Поскольку ВОК практически не излучает в радиодиапазоне, то передаваемую по нему информацию трудно подслушать, не нарушая приема-передачи. Системы мониторинга (непрерывного контроля) целостности оптической линии связи, используя свойства высокой чувствительности волокна, могут мгновенно отключить «взламываемый» канал связи и подать сигнал тревоги. Сенсорные системы, использующие интерференционные эффекты распространяемых световых сигналов (как по разным волокнам, так и разной поляризации) имеют очень высокую чувствительность к колебаниям, к небольшим перепадам давления. Такие системы особенно необходимы при создании линий связи в правительственных, банковских и некоторых других специальных службах, предъявляющих повышенные требования к защите данных.

- Гальваническая развязка элементов сети. Данное преимущество оптического волокна заключается в его изолирующем свойстве.

Волокно помогает избежать электрических «земельных» петель, которые могут возникать, когда два сетевых устройства неизолированной вычислительной сети, связанные медным кабелем, имеют заземления в разных точках здания, например, на разных этажах. При этом может возникнуть большая разность потенциалов, что способно повредить сетевое оборудование. Для волокна этой проблемы просто нет. Длительный срок эксплуатации. Со временем волокно испытывает деградацию. Это означает, что затухание в проложенном кабеле постепенно возрастает. Однако, благодаря совершенству современных технологий производства оптических волокон, этот процесс значительно замедлен, и срок службы ВОК составляет примерно 25 лет.

Практически у всего есть свои недостатки и волоконно-оптические системы не исключение. Пожалуй, главным недостатком можно выделить дороговизну монтажного прецизионного оборудования, а также надежность лазерных источников излучения. Многие недостатки, скорее всего можно нивелировать с появлением конкурентоспособных новых технологий в ВОЛС.

- Цена на интерфейсное оборудование. Оно главным образом необходимо для преобразования электрических сигналов в оптические и обратно.

- Стоимость оптических приемников и передатчиков все же на сегодняшний день остается довольно большой. Для создания ВОЛС нужны и высоконадежное коммутационное специализированное пассивное оборудование, аттенюаторы, оптические разветвители, соединители (оптические) с небольшими потерями и одновременно с этим с большим ресурсом на отключение-подключение.

- Обслуживание и установка оптических линий. Монтаж, тестирование и поддержка ВОЛС стоят недешево. В частности, если повреждается кабель, то требуется место разрыва соединить при помощи сварки и обеспечить защиту данному участку кабеля от внешней среды. Однако, производителями постоянно поставляются усовершенствованные инструменты для устранения неполадок с ВОК, цены которых постепенно снижаются.

- Специальные требования по защите волокна. Выдерживает стекло (как материал) потрясающие нагрузки, имеющие предел прочности на разрыв выше 1 ГПа. И теоретически это означает, что волокно диаметром 125 мкм в количестве 1 шт. сможет выдержать груз весом 1 кг. Однако практика таких результатов не показывает. Причиной этому служат имеющиеся микротрещины, инициирующие разрыв.

Естественно, для повышения прочности и надежности этот материал в процессе изготовления подвергается специальной обработке, а именно его покрывают лаком, основа которого составляет эпокиакрилат, а сам кабель упрочняют (к примеру, нитями, основа которых кевлар). Для того, чтобы повысить прочность ВОК его упрочняют стеклопластиковыми стержнями или же стальным специальным тросом. Однако все это приводит к большей цене кабеля.

Однако совокупность преимуществ применения ВОЛС достаточно значительны несмотря на имеющиеся их недостатки. Потому очевидна дальнейшая перспектива развития технологий волоконно-оптических линий связи в информационных сетях.

2.4 Технология SDH

Технология SDH (Synchronous Digital Hierarchy) - это стандарт для транспорта трафика, определяющий уровни скорости прохождения сигнала синхронного транспортного модуля (Synchronous Transport Module - STM) и физический (оптический) уровень, необходимый для совместимости оборудования от различных производителей.

Основная скорость передачи - 155,250 Мбит/с (STM-1). Остальные, более высокие, скорости определяются как скорости, кратные STM-1:



Уровень SDH/СЦИ	Номинальная скорость передачи, Мбит/с	Примечание
STM-0 (STS-1)	51,84	Уровень STS-1 (SONET)
STM-1	155,52	ITU-T Рек. G.707
STM-4	622,08	ITU-T Рек. G.707
STM-16	2488,3	ITU-T Рек. G.707
STM-64	9953,3	ITU-T Рек. G.707
STM-256	39813	Применяется «де-факто»

Рисунок 2.10. Иерархия скоростей SDH

Технология SDH предполагает использование метода временного мультиплексирования (TDM - Time-Division Multiplexing) и кросс-коммутации временных интервалов. При этом оконечное оборудование SDH оперирует потоками E1 (2,048 Mбит/с), к которым подключается клиентское оборудование. Основными устройствами сети являются мультиплексоры SDH.

Важной особенностью сетей SDH является необходимость синхронизации временных интервалов трафика между всеми элементами сети. Обычно мультиплексор может синхронизироваться с любым внешним сигналом, с опорным тактовым сигналом или с собственным внутренним генератором синхронизирующих импульсов. Синхронизация на основе опорного тактового сигнала может распространяться по цепи, в которой находится не более 20 сетевых элементов.

Выбор источника синхронизации может осуществляться либо автоматически под управлением программы, либо задаваться оператором.

Функционально мультиплексоры SDH имеют два набора интерфейсов: пользовательские и агрегатные. Пользовательский набор отвечает за подключение пользователей, а агрегатный - за создание линейных межузловых соединений.

Данные интерфейсы позволяют создавать следующие базовые топологии:

- «кольцо»,

- «цепочка»,

- «точка-точка».

При построении сетей SDH обычно используется топология сети типа «кольцо» с двумя контурами. По одному из контуров передается синхронизирующая и сигнальная информация, по-другому - основной трафик. Имеются специальные механизмы резервирования сети на случай выхода из строя одного из контуров. Возможно также подключение устройств по топологии «точка-точка», однако в таком случае отказоустойчивость решения будет ниже.

Централизованное управление сетью обеспечивает полный мониторинг состояния каналов и узлов (мультиплексоров). Использование кольцевых топологий предоставляет возможность автоматического переключения каналов при любых аварийных ситуациях на резервный путь. Оборудование SDH предусматривает возможность резервирования линии и основных аппаратных блоков по схеме 1+1, при аварии автоматически переключая трафик на резервное направление. Это свойство значительно повышает надежность сети и позволяет проводить различного плана технологические работы без перерыва в предоставлении услуг.

Сеть на базе SDH способна обеспечивать транспорт для большинства существующих технологий высокоскоростной передачи информации по оптическим сетям (в том числе ATM и POS).

Из базовых элементов складывается топология всей сети мультиплексоров. Сложные сети обычно имеют многоуровневую структуру. Первый уровень - оборудование доступа пользователей. Этот уровень состоит из оборудования «последней мили» и, как правило, мультиплексоров STM-1. Первое отвечает за доведение сигнала пользователей до мультиплексоров первого уровня. В роли оборудования «последней мили» обычно выступают так называемые оптические модемы, по сути являющиеся конвертерами электрического сигнала в оптический и обратно. Мультиплексоры данного уровня собирают каналы пользователей для дальнейшей транспортировки. Следующий уровень могут составлять мультиплексоры уровня STM-4 и STM-16.

Основными преимуществами технологии SDH являются:

- простая технология мультиплексирования / демультиплексирования;

- доступ к низкоскоростным сигналам без необходимости мультиплек-сирования / демультиплексирования всего высокоскоростного канала, что позволяет легко осуществлять подключение клиентского оборудования и производить кросс-коммутацию потоков;

- наличие механизмов резервирования на случай отказов каналов связи или оборудования;

- возможность создания «прозрачных» каналов связи, которые необходимы для решения определенных задач (например, передачи голосового трафика между выносами АТС или передачи телеметрии);

- возможности наращивания решения;

- совместимость оборудования от различных производителей;

- относительно низкая стоимость оборудования;

- быстрота настройки и конфигурирования устройств.

К недостаткам технологии SDH можно отнести:

- неэффективное использование пропускной способности каналов связи (необходимость резервирования полосы на случай отказов, неспособность динамически выделять полосу пропускания под различные приложения, отсутствие механизмов приоритизации трафика);

- ограниченные возможности по масштабированию сети.

2.5 Строительство ВОЛС

Организация строительства ВОЛС

Строительство волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) это комплекс организационных и технических мероприятий, включающих: подготовку к строительству, прокладку (подвеску) оптического кабеля (ОК), монтаж, измерения ВОЛС и сдачу ее в эксплуатацию.

Организация и технология проведения работ по строительству ВОЛС в значительной мере аналогичны работам по строительству электрических кабельных линий связи, однако имеется ряд отличий, обусловленных характеристиками и параметрами волоконно-оптических кабелей (ВОК).

В процессе организации и осуществления строительства ВОЛС, как правило, выполняются следующие мероприятия:

- организация и проведение подготовительных работ;

- прокладка или подвеска ОК;

- монтаж ВОЛС;

- проведение приемосдаточных измерений и сдача ВОЛС в эксплуатацию.

Основные различия в строительстве ВОЛС обусловлены в основном способами прокладки ОК. Выбор способа прокладки зависит от многих факторов. В некоторых случаях выбор достаточно очевиден, например, когда кабели прокладывают непосредственно в грунте или внутри помещений. Иногда экономичнее прокладывать ОК по мосту, чем под водой. Выбор между воздушной и подземной прокладками зависит от рельефа местности, категории грунта и даже плотности населения. При выборе подземного варианта необходимо решать вопрос, прокладывать ли ОК непосредственно в грунте или в защитных пластмассовых трубках и т.д.

Основными особенностями конструкций ОК, определяющими область их прокладки, являются:

- состав элементов конструкции ОК (наличие или отсутствие гидрофобного заполнения, металлических элементов),

- механические характеристики (в основном допустимые растягивающее и раздавливающие усилия),

- материал наружной оболочки.

Характерными особенностями конструкций ОК по сравнению с медно-жильными кабелями связи являются:

- малые размеры и масса,

- большая строительная длина (4 - 6 км и более),

- малая величина погонного затухания,

- отсутствие необходимости содержания ОК под избыточным воздушным давлением,

- стойкость к электромагнитным (гроза, ЛЭП и др.) воздействиям (металлические конструктивные элементы используются только в качестве бронепокровов и / или для предотвращения поперечной диффузии влаги (оболочки «АЛПЭТ», «СТАЛПЭТ»).

При строительстве ВОЛС применяются следующие способы прокладки ВОК:

- прокладка ОК в грунт;

- прокладка ОК в кабельной канализации;

- прокладка ОК внутри зданий и сооружений;

- подвеска самонесущего ОК на опорах;

- прокладка ОК через водные преграды.

Более подробная классификация способов прокладки волоконно-оптического кабеля представлена на рисунке 2.11.



Рисунок 2.11. Способы прокладки ВОК

Очень важно, чтобы при любом методе прокладки предусматривалась дополнительная длина ОК на обоих концах участка, на котором проводят измерения и сращивание. Запас по длине должен быть достаточным для того, чтобы можно было выполнять повторные соединения в муфтах.

Прокладка оптического кабеля

Отличительной особенностью прокладки ОК по сравнению с электрическими кабелями являются высокие требования по уровню допустимых механических нагрузок.

Нагрузка, превышающая допустимый уровень, может привести к увеличению затухания либо к разрыву волокна; либо к дефектам ОВ (микротрещины и т.п.), которые позднее в процессе эксплуатации кабеля за счет действия механизма усталостного разрушения ОВ также приведут к его повреждению. Особенно чувствительны ОВ к механическим нагрузкам при низких температурах.

Для сокращения числа соединений и соответственно потерь на сростках используются большие строительные длины ОК, что создает при их прокладке дополнительные нагрузки. Чтобы уровень нагрузки не превышал допустимый, необходимо принимать дополнительные меры и использовать специальное оборудование. В частности, нормативно-технической документацией не допускается прокладка ОК при температуре ниже -10°С, предусматриваются непрерывный контроль продольных нагрузок на ОК, а также меры, ограничивающие механические нагрузки на ОК в процессе его прокладки и обеспечивающие защиту в процессе эксплуатации.

Прокладка оптического кабеля в грунт

Оптические кабели прокладываются в грунтах всех категорий, кроме грунтов, подверженных мерзлотным деформациям. Способы прокладки ОК через болота и водные преграды должны определяться отдельными проектными решениями.

Прокладка может осуществляться ручным способом в ранее отрытую траншею или бестраншейным способом с помощью ножевых кабелеукладчиков. Если используются ЗПТ, то сначала одним из указанных способов укладываются в грунт ЗПТ, а затем в них затягиваются ОК. Возможна прокладка ЗПТ с заранее уложенным в них кабелем.

Непосредственно в грунт укладываются ОК, имеющие ленточную броню или броню из стальных проволок. Прокладка ОК в грунт должна осуществляться при температуре окружающего воздуха не ниже -10°С.

Земляные работы выполняются в соответствии с требованиями руководств по строительству линейных сооружений сетей связи. Работы по прокладке ОК в местах пересечения ими охранных зон магистральных трубопроводов газовой и нефтяной промышленности, электрических сетей должны выполняться с учетом требований соответствующих Инструкций по производству земляных работ в охранных зонах указанных коммуникаций. Производство земляных работ в пределах охранных зон различных коммуникаций допускается только при наличии письменного разрешения организации, эксплуатирующей эти коммуникации и в присутствии их представителей. При производстве земляных работ следует выполнять (кроме требований руководств по строительству линейных сооружений сетей связи) также требования действующих СНиПна земляные работы, правил охраны линий связи и других норм.

При прокладке ОК в отрытую траншею максимальное внимание должно быть уделено ограничению минимального радиуса изгиба ОК, для этого размотку кабеля, а при ручном способе прокладки переноску и укладку его в траншею проводят без перегибов, так же важными этапами строительства является подготовка грунтовой или песчаной постели и засыпка. Перед прокладкой ОК в отрытую траншею дно ее должно быть выровнено и очищено от камней, строительного мусора и других предметов, которые могут повредить ОК после засыпки траншеи. В скалистых грунтах перед прокладкой ОК дно траншей должно быть очищено от острых выступов и крупного щебня, под кабелем и над ним должен быть уложен защитный слой мягкого грунта или песка толщиной не менее 10 см. Размотку кабеля и прокладку в отрытую траншею, как правило, производят с помощью специальных механизмов. Прокладку кабеля в подготовленную траншею выполняют одним из следующих способов, применение которых зависит от условий трассы:

- укладка кабеля в траншею или на ее бровку с барабана, установленного в кузове автомобиля или на кабельном транспортере, который передвигается вдоль траншеи;