Проектирование инфокоммуникационной оптической сети железной дороги

Найдем абсолютный уровень сигнала:



, (4)

где - нулевой уровень сигнала ( В);

Для нахождения мощность шума на выходе k-го усилителя используется формула:

(5)

Для нахождения уровня шума на выходе k-го усилителя используется формула:

(6)

Тогда получим



Для нахождения отношения сигнал-шум в дБ на выходе k-го усилителя используется формула:

, (7)

где р_вых - уровень сигнала на выходе оптического усилителя, дБ;

р_{ш_ASE} - уровень шума вносимого оптическим усилителем, дБ.

Тогда получим

Рассчитанные значения можно представить в виде графика (рисунок 14).

Помимо этого, на графике показаны уровни сигнала и шума после прохождения нескольких оптических усилителей, а также требуемое ОСШ в 25 дБ. Эти результаты справедливы для двух направлений передачи информации. Видно, что с увеличением количества оптических усилителей возрастает уровень накопленного шума в линии. Это ведет к уменьшению отношения сигнал-шум. На примере требуемое ОСШ сохраняется на выходе линии с использованием 7 оптических усилителей. Далее необходима регенерация сигнала, поскольку уровень накопленного шума достаточно высок. Его большее увеличение приведет к снижению качества передаваемой информации.



Рисунок 14 - ОСШ линии связи с несколькими оптическими усилителями

Регенератор состоит из оптического демультиплексора, оптического мультиплексора и нескольких регенераторов для каждого канала. В качестве мультиплексора и демультиплексора регенератора используются такие же модули, что и в оконечном оборудовании.

Регенерационный участок линии связи состоит из последовательно установленных оптического мультиплексора, оптических усилителей и оптического демультиплексора. Для примера, представленного на рисунке 12 длина регенерационного участка определяется по следующей формуле:

. (8)

Рассчитанные расстояния (кроме ОУ3-ОУ6) между отделениями дороги не превышают полученного значения , то использовать регенератор нецелесообразно. Т.к. расстояние между ОУ3-ОУ6 составляет 475км, то будем использовать регенератор.

2.3 Расчет дисперсии оптического волокна

1) Расчет хроматической дисперсии.

Дисперсия - это явление уширения импульсов при передаче по оптическому волокну. Она имеет размерность времени и определяется как квадратичная разность длительностей импульсов на выходе и входе кабеля длины L по формуле:

. (9)

Обычно дисперсия нормируется в расчете на 1км, и измеряется в пс/нм·км. В одномодовом волокне на распространение сигнала оказывают влияние как хроматическая, так и поляризационно-модовая дисперсия. Хроматическая дисперсия, в свою очередь, имеет две составляющие: материальную и волноводную. Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления волокна от длины волны. Волноводная дисперсия обусловлена зависимостью коэффициента распространения моды от длины волны. Удельная хроматическая дисперсия вычисляется по формуле:

, (10)

где S₀ - наклон дисперсионной кривой одномодового волокна на длине волны нулевой дисперсии, S₀=0.09пс/(нм²км);

- рабочая длина волны, =1550нм;

₀ - длина волны нулевой дисперсии, ₀=1310нм.

Тогда

Хроматическая дисперсия волокна рассчитывается по формуле:

, (11)

где у_н - рассчитанная выше удельная хроматическая дисперсия;

Дл - ширина спектра излучения источника сигнала;

L - длина волоконно-оптической линии.

Ширину спектра передаваемого сигнала можно рассчитать по формуле:

, (12)

где Дf - ширина полосы спектра передаваемого сигнала;

f_н - несущая частота, на которой осуществляется передача информации;

с - скорость света.

Тогда

Для ширины полосы в 100 ГГц Дл = 0,8 нм.

Тогда хроматическая дисперсия волокна будет равна:



Для оптического интерфейса STM-64 допустимое значение дисперсии составляет 400пс. Необходимо свести хроматическую дисперсию к минимуму и этим обеспечить необходимый технологический запас на старение волокна.

Наиболее распространены два способа борьбы с дисперсией. Первый из них - это регенерация оптического сигнала, осуществляемая путем преобразования сигнала в электрическую форму, его регенерации и обратного преобразования в оптическую форму. Для группового DWDM сигнала необходимо демультиплексировать сигнал на отдельные каналы и установить на каждый канал отдельный регенератор. После регенерации необходимо снова провести мультиплексирование всех передаваемых длин волн. Очевидно, что использование подобных регенераторов выгодно только в точке приема передаваемого сигнала. Использование таких регенераторов для компенсации дисперсии экономически не выгодно.

Второй способ борьбы с дисперсией не предусматривает преобразования в электрическую форму. Для компенсации дисперсии используются волокна, имеющие отрицательное значение хроматической дисперсии. Модуль удельной дисперсии такого волокна намного больше, чем у стандартного одномодового. Потому для компенсации дисперсии требуется намного меньший отрезок волокна, чем длина участка линии связи. Компенсация дисперсии производится путем вставки в кабель модуля с волокном компенсации дисперсии. Модули компенсации дисперсии (DCM) поставляются вместе с оборудованием. Использование такого метода не требует демультиплексирования составного оптического сигнала. Также следует отметить, что данный метод борьбы с дисперсией не накладывает никаких ограничений на скорость и форму передаваемого сигнала.

Для компенсации хроматической дисперсии используют волокно со следующими параметрами:

S₀ = 0,75 ;

₀ = 1750 нм.

Используя (10) и (11) найдем длину волокна, необходимую для компенсации хроматической дисперсии всей линии связи.

. (13)

Тогда

Оптимальным будет установка нескольких модулей компенсации, которые включаются между каскадами оптических усилителей платы оптического интерфейса. Так минимизируется влияние затухания волокна компенсации дисперсии на передаваемый сигнал. Два модуля DCM можно установить на оконечных пунктах волоконно-оптической линии, а остальные - совместно с оптическими усилителями.

2) Расчет поляризационно-модовой дисперсии.

Поляризационно-модовая дисперсия (ПМД) возникает из-за неидеальной геометрии волокна и, как следствие, различной скорости распространения двух взаимно перпендикулярных поляризационных составляющих моды. Она рассчитывается по формуле:

, (14)

где Т - коэффициент удельной дисперсии в расчете на 1км ,

L - расстояние линии передачи (км).

ПМД еще имеет название дифференциально-групповой задержки, так как показывает разность во времени прохождения двух перпендикулярных составляющих моды. Значение удельной дисперсии выбирается в зависимости от типа волокна.

Расстояние, ограничиваемое поляризационной модовой дисперсией, может быть описано следующим выражением:

, (15)

где В - скорость передачи информации, для STM-64 В=9953,28Мбит/с или 9,9Гбит/с; Т - коэффициент удельной дисперсии в расчете на 1км, Т=0,1. Отсюда максимальное расстояние передачи:

. (16)



Тогда

Т.к. расстояния между отделениями дороги не превышают 10203 км, то расчет ПМД не нужен, потому что она не оказывает влияние на проектируемую линию передачи.

2.4 Расстановка усилительных пунктов

Для расстановки усилителей необходимо найти общее количество усилительных участков:

. (17)

Для двух направлений передачи сигнала целесообразно устанавливать усилители в одном и том же месте и на одинаковом расстоянии, тем самым обеспечивая одинаковые параметры передаваемых сигналов.

Пример структурной схемы волоконно-оптической линии связи изображен на рисунке 15. На ней показаны усилители оптических мультиплексоров 1 и 5, расположенные в оконечных пунктах проектируемой линии, а также линейные оптические усилители 2 - 4. Усилители с установленными модулями компенсации дисперсии (DCM) обозначены на чертеже буквой «ф».



Т.к. расстояние между ОУ3-ОУ6 составляет 475км, что больше длины регенерационного участка, то вместо 8-го оптического усилителя будем использовать регенератор.

Рисунок 15 -Структурная схема волоконно-оптической линии связи для участка ОУ1-ОУ5



3. Экономический раздел

3.1 Ведомость объема работы

Ведомость объема работы включает в себя комплекс работ по установке, монтажу, регулировке и настройке проектируемого оборудования, комплекс работ по строительству кабельной линии, прокладке, подвеске, монтажу и измерениям на кабельной линии связи, а также стоимость этих работ. Примерный вид ведомости объема работы приведен в таблице 9.

Таблица 9 - Ведомость объема работы

№	Наименование работ	Примечание
1	Монтаж оборудования: комплекс работ по установке, монтажу, регулировке и настройке проектируемого оборудования	Процент берется от итога стоимости оборудования
2	Строительно-монтажные работы: комплекс работ по строительству кабельной линии, прокладке, подвеске, монтажу и измерениям на кабельной линии связи	Процент берется от стоимости кабеля



3.2 Ведомость материалов и оборудования

Таблица 10 - Ведомость оборудования



Таблица 11 - Перечень устройств, приспособлений и приборов, применяемых при монтаже ОК



4. Техника безопасности и охрана труда при строительстве волоконно-оптической линии связи

При строительстве ВОЛС проводят работы по прокладке кабеля, как с использованием средств механизации, так и вручную.

В рабочих чертежах на прокладку кабеля на планах расположения трассы кабеля должны указываться опасные места производства работ, пересечения с газопроводами, нефтепроводами и другими продуктопроводами, с силовыми кабелями и магистральными кабелями связи, а также делаются предупреждающие надписи об осторожности проведения работ на пересечениях кабеля связи с этими подземными коммуникациями.

Для проведения работ по прокладке кабеля распоряжением руководителя предприятия должен быть назначен старший. При прокладке кабеля, на особо ответственных участках, обязательно присутствие руководителя работ (прораба, инженера, бригадира и т.п.).

При прокладке кабеля ручным способом на каждого работника должен приходиться участок кабеля массой не более 20 кг. При подноске кабеля к траншее на плечах или в руках все работники должны находиться по одну сторону от кабеля.

Размотка кабеля с движущихся транспортеров (кабельных тележек) должна выполняться по возможности ближе к траншее. Кабель должен разматываться без натяжения для того, чтобы его можно было взять, поднести и уложить в траншею.

Внутренний конец кабеля, выведенный на щеку барабана, должен быть закреплен. Транспортер должен иметь приспособление для торможения вращающего барабана.

Прокладка кабеля кабелеукладчиками разрешается на участках, не имеющих подземных сооружений. Перед началом работы необходимо осмотреть основные элементы кабелеукладочного агрегата и убедиться в их исправности. При обнаружении неисправности работать на тракторе или кабелеукладчике запрещается.

Прокладка кабеля под проводами воздушной линии электропередачи допускается только при условии соблюдения расстояний от кабелеукладчика, с погруженным на него барабаном, до проводов линий электропередачи.

На кабелеукладчике стоять или сидеть разрешается только на специально предназначенных для этого площадках или сидениях. Заходить на заднюю рабочую площадку кабелеукладчика для проверки исправности и соединения концов кабеля можно во время остановки колонны и только работника, руководящего прокладкой кабеля. Во время движения кабелеукладчика находиться на этой площадке запрещается.

При работе с машинами и механизмами (кабелеукладочной техникой), ручным вибрационным инструментом вредными факторами являются шум и вибрация. Следовательно, необходимо использовать индивидуальные средства защиты: рукавицы, защитные очки, виброгасящие рукавицы, противошумовые наушники. Самым опасным фактором при строительстве ВОЛС является лазерное излучение, а самым вредным - работа с виброинструментом.

С целью улучшения условий труда на объектах строительства применяются монтажно-измерительные машины, позволяющие монтажникам и измерителям выполнять сложные и утомительные работы, для чего обеспечивается соответствующее освещение, вентиляция воздуха, надлежащее рабочее место.

При выполнении монтажных работ следует помнить и соблюдать меры безопасности при работах с оптическим кабелем, которые определяются его механическими и геометрическими параметрами.

Опасным фактором при сращивании оптического кабеля является то, что волокна в оптическом кабеле соединяются при помощи сварки электрической дугой с температурой 18000 °С. Сварочный аппарат при сварке необходимо заземлять, все подключения и отключения прибора осуществляются при снятом напряжении питания, сварка проводится под закрытым кожухом. К работе допускаются лица квалификационной группой не ниже III и не имеющие медицинских противопоказаний. При монтаже оптических волокон нужно помнить, что дуговой разряд, возникающий между электродами сварочного аппарата, может быть причиной возгорания горючих газов в смотровых устройствах телефонной канализации.

В монтажно-измерительной автомашине отходы оптического волокна при разделке (сколе) необходимо собирать в ящик, а после окончания работ закапывать в грунт. Необходимо также избегать попадания остатков оптического волокна на одежду, работу с волокном производить в клеенчатом фартуке; монтажный стол и пол в монтажно-измерительной автомашине после каждой смены обрабатывать пылесосом и затем протирать мокрой тряпкой; тряпку отжимать в плотных резиновых перчатках.

Также необходимо при механизированной прокладке ОК в кабельной канализации обеспечивать надежную служебную связь каждого колодца, в котором находится вспомогательный персонал; при работе с оптическими тестерами не допускать попадания излучения в глаза.



5. Графический материал

5.1 Структурная схема сети связи дороги

Структурная схема сети связи Приднепровской железной дороги представлена в Приложении А.

На данной схеме приняты условные обозначения мультиплексоров Siemens SURPASS hiT 7070 и SMA4/1, представленных на рисунке 16.

Рисунок 16 - Структурное изображение используемых мультиплексоров:

а) мультиплексор SMA4/1 на оконечной станции;

б) мультиплексор SMA4/1 для соединения двух станций;

в) мультиплексор Siemens SURPASS hit 7070



5.2 Поперечный разрез оптического кабеля

Структура оптического кабеля ОКТК представлена на рисунке 17.

Структура кабеля содержит следующие элементы:

1) оптические волокна, сгруппированные в пучки;

2) тиксотропный гидрофобный заполнитель;

3) центрально-расположенная трубка;

4) броня из двух слоев круглых стальных оцинкованных проволок;

5) защитный шланг из полиэтилена.



Заключение

В ходе выполнения данного курсового проекта была спроектирована инфокоммуникационная оптическая сеть связи Приднепровской железной дороги с применением современных технологий - оптического волокна и системы передачи синхронной иерархии SDH.

Также были осуществлены выбор необходимого уровня иерархии системы передачи, выбор типа оптического кабеля, расчет длин усилительных, регенерационных участков и расчет величины хроматической и поляризационно-модовой дисперсии. В разделе охраны труда описаны способы строительства кабельной линии передачи. Был разработан структурный план трассы кабельной линии на Приднепровской железной дороге.

Рассмотрены основные принципы построения ведомостей объема работы, материалов и оборудования.

Таким образом, в результате выполнения данного курсового проекта получены необходимые навыки проектирования ВОЛС с применением современных систем передачи.



Список использованных источников

1. Виноградов В.В. Волоконно-оптические линии связи /В.В. Виноградов, В.К. Котов, В.Н. Нуприк //Учебное пособие для техникумов и колледжей ж.-д. трансп. - М.: ИПК «Желдориздат», 2002. - 278с.

2. Кириллов В.И. Многоканальные системы передачи /В.И. Кириллов //Учебник для ВУЗов - М.: Новое знание, 2002. - 751с.

3. Ракк М.А. Измерения в технике связи /М.А. Ракк //Учебник. - М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2008. - 312с

4. Фриман Р. Волоконно-оптические системы связи /Р. Фриман //Пер. с англ. Изд. 4, доп. (Мир связи) - М.: Техносфера, 2007. - 512с.

5. Гордиенко В.Н. Многоканальные телекоммуникационные системы /В.Н. Гордиенко, М.С. Тверецкий //Учебник для вузов. - М.: Горячая линия-Телеком, 2007. - 416с

6. Ресурсы сети INTERNET.



Список сокращений

ASE Amplified spontaneous emission Спектр спонтанных фотонов

ATM Asynchronous Transfer Mode Асинхронный режим передачи (АРП)

CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access Множественный доступ с with Collision Detection контролем несущей и обнаружением коллизий

DPT Dynamic Packet Transport Технология передачи IP-трафика

DCM Dispersion Compensation Module Модули компенсации дисперсии

DWDM Dense Wavelength Division Плотное волновое Multiplexing мультиплексирование

EDFA Erbium Doped Fiber Amplifier Усилитель EDFA (оптический усилитель на волокне, легированном эрбием)

ITU International Telecommunication Международный союз Union телекоммуникаций (структурное подразделение ООН)

IP Internet protocol Маршрутизируемый сетевой протокол

LLC Logical Link Control Подуровень управление логическим соединением

OSI Open Systems Interconnection Базовая эталонная модель Basic Reference Model взаимодействия открытых систем

МАС Medium Access Control Подуровень управление доступом к среде

PDH Plesiochronous Digital Hierarchy Плезиохронная цифровая иерархия (ПЦИ)

POS Paсket over SDH Технология с инкапсуляцией пакетов IP

SDH Synhcronous Digital Hierarchy Синхронная цифровая иерархия (СЦИ)

STM Synchronous Transfer Mode Синхронный транспортный модуль

TCP/IP Transmission Control Набор сетевых протоколов Protocol/Internet Protocol) разных уровней

WDM Wavelength Division Multiplexing Волновое мультиплексирование

ВОСП Fiber-optic link of Handing Волоконно-оптическая линия передач

ВОК Волоконно-оптический кабель

ВОЛС Волоконно-оптические линии связи

ВОСП Волоконно-оптические системы передачи

ДУ Управление дороги

ЛЭП Линии электропередачи

ОбТС Телефонная сеть общего пользования

ОВ Оптическое волокно

ОД Отделение дороги

ОК Оптический кабель

ОСШ Отношение сигнал-шум

ОТС Оперативно-технологическая связь

ОУ Отделение дороги

ПМД Поляризационно-модовая дисперсия

СПД Системы передачи данных

Ст Промежуточная станция

УД Управление дороги

Размещено на Allbest.ru