Оптическая линия связи на участке железной дороги (стр. 1 )

Министерство путей сообщения Российской Федерации

Дальневосточный государственный университет путей сообщения

Кафедра

Телекоммуникации

ОПТИЧЕСКАЯ ЛИНИЯ СВЯЗИ

НА УЧАСТКЕ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ

Методические указания к курсовому проектированию

для студентов специализации

“Волоконно-оптические системы передачи”

1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ......................................................................................... 3

1. Архитектура сети связи МПС России ...................................... 4

2. Принципы построения цифровой первичной сети связи МПС.

Цифровые системы передачи .................................................. 5

3. Выбор оптического кабеля ......................................................10

4. Расчет параметров волоконных световодов........................15

4.1. Расчет показателя преломления компонентов

волоконного световода .........................................................15

4.2. Расчет числовой апертуры световода................................17

4.3. Расчет затухания световодов ............................................. 17

4.4. Расчет дисперсии оптического волокна............................ 19

4.5. Расчет коэффициента фазы, волнового сопротивления

и скорости передачи по световодам..................................... 20

4.6. Определение длины регенерационного участка.............. 22

4.6.1. Определение длины регенерационного участка

по затуханию оптического кабеля................................... 22

4.6.2. Определение длины регенерационного участка

по пропускной способности оптического кабеля........... 24

5. Строительство волоконно-оптической линии связи............ 25

6. Монтаж оптических кабелей ................................................... 33

7. Сметно-финансовый расчет .................................................. 36

Список литературы ...................................................................... 37

Приложение 1 ............................................................................... 38

Приложение 2 ............................................................................... 44

Приложение 3 ............................................................................... 44

ВВЕДЕНИЕ

В соответствии с “Концепцией создания сети связи МПС РФ с интеграцией услуг” основным направлением технического развития и совершенствования средств телекоммуникаций на железнодорожном транспорте является внедрение цифровой техники и, прежде всего высокоскоростных волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). Это определяется тенденцией роста производительности интегральных схем и соответственно пропускной способности ВОЛС, в результате чего наблюдается стабильное снижение стоимости каналов.

Оптическое волокно в настоящее время является самой совершенной физической средой для передачи больших потоков информации на значительное расстояние. Современные системы передачи синхронной иерархии позволяют передавать по двум волокнам информацию со скоростью до 10 Гбит/с. Новые технологии обработки линейного сигнала позволяют вести одновременную передачу по одному волокну нескольких высокоскоростных потоков по узким спектральным полосам, что эквивалентно скорости передачи до 40 Гбит/с.

На смену линейным регенераторам, в которых осуществлялось двойное преобразование сигналов, приходят волоконно-оптические усилители, обеспечивающие одинаковое усиление оптических сигналов в широком спектральном диапазоне, что позволит наращивать пропускную способность волокон доукомплектованием сетевого оборудования без изменения линии. Применение волокон нового типа позволяет обеспечить сверхвысокие скорости передачи без дополнительной компенсации дисперсии и размещать усилители на расстоянии до 150 км.

Новые технологии формирования и передачи сигналов существенным образом повлияли на построение сетей связи. Перспективная сеть связи основывается на двухуровневой иерархии и состоит из транспортной сети и абонентской сети. Транспортная сеть включает в себя мощные информационные магистрали, построенные на основе синхронной цифровой иерархии SDH и перспективного асинхронного режима передачи ATM. Широкополосная сеть абонентского доступа, реализованная на базе волоконно-оптического кабеля, совместно с транспортной сетью образует единое информационное пространство и гибкую среду для создания и реализации новых видов информационного сервиса. Широкое применение в качестве сети абонентского доступа находят сотовые и транкинговые сети.

1. АРХИТЕКТУРА СЕТИ СВЯЗИ МПС РОССИИ

Управление сетью Сеть связи МПС РФ Поставщики оборудования Рис. 1 Архитектура сети связи МПС РФ

ПЕРВИЧНАЯ СЕТЬ

ВТОРИЧНЫЕ СЕТИ

СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ

Заводы МПС Заводы РФ Зарубежные фирмы

Маркетинг

Управление сервисом

Управление каналами и потоками на сети

Управление комплексом технических средств

Архитектура сети связи МПС России, построенная в соответствии с архитектурой Взаимоувязанной сети связи (ВСС) и отражающая взаимодействие различных уровней сети с внешней средой, представлена на рис. 1.

СЛУЖБЫ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ

УСЛУГИ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ

ПОЛЬЗОВАТЕЛИ

Основой системы связи являются первичные сети, включающие в себя узлы и линии передачи, предоставляющие во вторичные сети некоммутируемые каналы. На базе первичных сетей строятся вторичные сети МПС, которые, в свою очередь, состоят из следующих сетей: общетехнологической (ОбТС), оперативно-технологической (ОТС) и сети передачи данных, включающей в себя телеграфную связь. Системы электросвязи формируют вторичные сети различного назначения. Службы электросвязи обеспечивают предоставление пользователям услуг связи.

Современная система управления сетью должна включать в себя службы маркетинга, управления сервисом, каналами, трактами и комплексом технических средств и обеспечивает выполнение требований к устойчивости функционирования сети, качеству связи и уровню доходов.

Основной задачей маркетинга в новых экономических условиях является получение доходов путем предоставления услуг вневедомственным пользователям. С целью расширения номенклатуры предоставляемых услуг и обеспечения их качества в соответствии с принятыми нормами в системе управления предусмотрена служба управления сервисом. С целью повышения живучести сети создается система управления каналами и трактами, обеспечивающая бесперебойную работу сети в случае возникновения неисправностей каналов или трактов на отдельных направлениях. Управление комплексом технических средств предусматривает централизованную эксплуатацию оборудования сети связи с целью бесперебойного его функционирования с нормированными электрическими показателями.

Взаимодействие с абонентами в части предоставления услуг осуществляют телеинформационные службы, представляющие собой совокупность каналов связи и технических средств (аппаратных и программных) первичных и вторичных сетей и терминальных устройств.

2. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ЦИФРОВОЙ

ПЕРВИЧНОЙ СЕТИ СВЯЗИ МПС.

ЦИФРОВЫЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ.

При разработке цифровой сети связи МПС следует учитывать ряд характерных ее особенностей. Сеть концентрируется вдоль железной дороги, полностью отражая при этом ее конфигурацию. основной функцией первичной сети является формирование единого информационного потока, проходящего через последовательно расположенные пункты выделения, где часть потока ответвляется с целью обслуживания абонентов местной сети. Другой особенностью является то, что в большинстве пунктов выделения ответвляется незначительная часть потока, составляющая от долей до нескольких процентов от главного потока.

На первичной сети в качестве систем передачи должны использоваться системы передачи синхронной СЦИ (Sinchronous Digital Hierarhi) и плезиохронной ПЦИ (Plesiochronouns Digital Hierarhi) при рациональном их сочетании.

Отечественные волоконно-оптические системы передачи (ВОСП), такие как Сопка 4М (140 Мбит/с), Сопка 3М (34 Мбит/с) основаны на плезиохронной цифровой иерархии стандартного для СНГ ряда: ИКМ-30, 120, 490, 1920 и имеют недостатки, усложняющие их применение в цифровых сетях с многократным вводом-выводом цифровых потоков 2,048 Мбит/с и их распределением. Главный недостаток связан с применением в ВОСП ПЦИ посимвольного мультиплексирования цифровых потоков, начиная с 2 Мбит/с. Такой способ приводит к использованию двух, трехкратного мультиплексирования/демультиплексирования на передающей и приемной и промежуточной станциях ввода-вывода, что существенно усложняет аппаратуру.

В развитие системы передачи ИКМ-120Т на основе серийной аппаратуры Сопка-3М, разработано техническое задание на аппаратуру ВОСП-480Т, которая должна обеспечить передачу 16 двухмегабитовых потоков (480 каналов ТЧ) по схеме “точка-точка” и трех дополнительных потоков 2,048 Мбит/с (90 каналов ТЧ) с возможностью их многократного выделения (до 32) на промежуточных станциях. В отличие от аппаратуры Сопка-3М, которая реализует только соединения “точка-точка”, ВОСП-480 Т предполагается для применения на дорожных и отделенческих сетях связи.

В качестве основной системы передачи на волоконно-оптических магистральной сети связи рекомендуется использовать аппаратуру синхронной цифровой иерархии СЦИ.

В настоящее время ведущие зарубежные фирмы выпускают оборудование СЦИ, рассчитанное на скорости передачи 155 Мбит/с (STM-1), 622 Мбит/с (STM-4) и 2488 Мбит/с (STM-16) с коэффициентом мультиплексирования, равным четырем. В процессе разработки находится система STM-64 со скоростью передачи 9953 Мбит/с. У мультиплексора первого уровня входными потоками могут быть потоки ПЦИ. Мультиплексоры более высоких уровней взаимодействуют как с потоками ПЦИ, так и с потоками STM нижних уровней.

Сигналы, скорость передачи которых соответствует стандартному ряду скоростей СЦИ получили название трибов СЦИ.

Применяемая в системах СЦИ система заголовков позволяет определить положение любого входного цифрового потока, погруженного в соответствующий виртуальный контейнер, транспортируемого модулями STM-1 и осуществлять его ввод-вывод из транспортных модулей STM-1(N). Это существенно упрощает выделение цифровых потоков и каналов не только на оконечных, но и на промежуточных пунктах волоконно-оптической линии связи.

Для построения СЦИ используются терминальные мультиплексоры (ТМ) и мультиплексоры ввода-вывода (АДМ). Каждый из них способен выполнять функции концентратора, коммутатора, кросс-коннектора и регенератора.

Терминальный мультиплексор является оконечным устройством сети с числом потоков доступа, соответствующим определенному уровню иерархии взаимодействующих с ним.

Мультиплексор STM-1 компании Nortel состоит из следующих основных узлов:

- четырех трибных интерфейсных блоков с 16 электрическими портами 2 Мбит/с для ввода/вывода до 63 входных потоков;

- двух (основного и резервного) менеджеров полезной нагрузки - устройств для формирования и управления полезной нагрузкой. Он, например, управляет операциями ввода/вывода каналов доступа (трибов), мультиплексированием и внутренней коммутацией потоков, производит сортировку на уровне трибных блоков, формирует полезную нагрузку до уровня агрегатных блоков и передает ее на интерфейсы агрегатных блоков;

- двух оптических или электрических агрегатных блоков с выходными портами 155 Мбит/с “восток” и “запад” для формирования выходных потоков;

- двух (основного и резервного блоков питания;

- одного контроллера и локальной панели оператора.

Мультиплексор STM-4 компании GPT состоит из следующих основных узлов:

- трибных блоков с набором электрических портов для приема входных потоков различной скорости (от 1,5 и 2 до 140 и 155 Мбит/с);

- двух пар (сновной и резервной) мультиплексоров и коммутаторов для мультиплексирования, локальной коммутации и управления потоками;

- двух оптических агрегатных блоков с выходными портами 622 Мбит/с “восток” и “запад” для формирования выходных потоков;

- двух (основного и резервного блоков питания;

- интерфейсами контроля и управления, служебным каналом.

Концентратор представляет собой вырожденный случай мультиплексора. Он объединяет однотипные потоки нескольких удаленных узлов сети в одном распределительном узле, связанном с главной магистралью. Функции кросс-коннектора, заложенные в мультиплексор, дают возможность удаленным узлам обмениваться между собой, не загружая основной трафик.

Системы электронной кроссовой коммутации, применяемые в узлах сетей, позволяют связывать различные потоки и каналы, закрепленные за пользователями, и проводить многие другие операции с компонентными потоками - переключение потоков с одного направления на другое, объединение нескольких компонентных потоков в один поток более высокой степени иерархии и т. д.

Маршрутизация в СЦИ осуществляется программными средствами и, следовательно, существенно упрощается.

Рассмотренные компоненты оборудования СЦИ позволяют создавать сети различной топологии, среди которых наиболее распространенной является кольцевая. При реализации кольцевой топологии для организации магистральных и дорожных связей целесообразно замкнуть кольцо путем прокладки или подвески оптического кабеля по разным сторонам железной дороги. На практике наиболее часто находит применение топология “плоского кольца”, когда для замыкания кольца используются оптические волокна внутри одного кабеля.

Основой сети должна быть хребтовая структура, состоящая из одной или нескольких систем STM, расположенных вдоль железной дороги. Количество и тип систем STM определяются общей емкостью информационного потока, который должен быть обеспечен на данном участке, а количество потоков 2,048 Мбит/с, выделяемых на станциях, зависит от числа терминалов местной сети, которым необходим доступ в сеть связи МПС.

При таком построении в определенной степени сглаживаются традиционные понятия магистрального, дорожного и отделенческого уровней сети и цифровая сеть отражает двухуровневую систему, имеющую уровень транспортной сети и уровень абонентского доступа. Первичные потоки, используемые для магистральной, дорожной и отделенческой сетей, большей частью интегрируются в потоках STM-1, STM-4, обеспечивающих многократный ввод-вывод компонентных потоков 2,048 Мбит/с из высокоскоростного группового потока.

Кольцевание сети должно быть реализовано, исходя из следующих принципов. В случае, когда железные дороги проходят параллельно, кольцевание осуществляется с использованием поперечных рокадных направлений или с использованием инфраструктуры других ведомственных сетей. На линейной сети связи, проложенной вдоль железной дороги, также формируется кольцевая структура. Малые кольца плоской структуры организуются в пределах отделения дороги и диспетчерского участка. Режим резервирования определяется соответствующими программами работы синхронных мультиплексоров, устанавливаемых в сетевых узлах. Кольца большой протяженности организуются на дорожном и магистральном уровнях.

Принципы построения цифровой сети на базе оборудования СЦИ иллюстрируется на примере схемы, приведенной в приложении 1 (рис.1).

Вдоль железной дороги прокладывается ВОЛС с использованием систем передачи STM - 1/4.

Основное назначение STM-1 - предоставление во вторичные сети потоков 2,048 Мбит/с на дорожном и отделенческом уровнях. На магистральном уровне может быть использована более мощная система STM-4 для соединения между собой дорожных узлов и для резервирования STM-1. Управление сетью реализуется с помощью системы ТМN (Telecommunikation Management Network).

Выделение необходимого количества потоков 2,048 Мбит/с из STM-1 осуществляется в дорожных, отделенческих и внутриотделенческих узлах, а также на крупных и средних станциях, где организуются сетевые узлы с синхронными мультиплексорами ввода/вывода. Для включения в цифровую сеть рокадных и второстепенных направлений, а также отделенческих сетей оперативно-технологической связи, которые могут быть построены на системах ПЦИ (например, ВОСП-480Т), используются ответвления со стыками (2, 8, 34, 140) Мбит/с.

На базе первичной сети организуются вторичные сети ОбТС, ОТС и ПД. На магистральном, дорожных, отделенческих и внутриотделенческих узлах в первичную сеть ОбТС включаются цифровые узлы автоматической коммутации (УАК) или цифровые транзитные АТС (АТСЦ). На тех станциях, где установлена аппаратура выделения STM-1, АТСЦ средней и малой емкости включаются аналогичным образом. На станциях, где нет выделения STM-1, АТСЦ включаются в цифровой коммутатор технологической связи, имеющий дополнительный стык 2,048 Мбит/с и формирующий пучок соединительных линий для включения АТСЦ в ближайший узел.

Коммутационное оборудование сети ПД включается в первичную сеть аналогично оборудованию ОбТС. Для прямой связи между вычислительными центрами можно использовать потоки 2,048 Мбит/с, выделяемые как из STM-1, так и STM-4. Для организации сети доступа в сеть ПД перспективно использование гибких мультиплексоров, обеспечивающих широкую номенклатуру стыков типа Х, V, nx64 Кбит/с, ТЧ и др. для подключения терминального оборудования.

При осуществлении выбора системы передачи на конкретном участке проектирования необходимо руководствоваться принципами развития первичной сети связи МПС, представленной в “Концепции создания сети связи МПС РФ с интеграцией услуг”, основные параметры которой для Дальнего Востока и Забайкалья приведены в приложении 1 (рис. 2).

3. ВЫБОР ОПТИЧЕСКОГО КАБЕЛЯ

В качестве основного вида направляющей системы передачи при новом строительстве и увеличения пропускной способности действующей сети следует применять волоконно-оптический кабель, как обладающий наибольшей помехозащищенностью, пропускной способностью и допускающий различные варианты подвески, прокладки в зависимости от условий эксплуатации. В настоящее время стоимость оптических кабелей сопоставима, а в ряде случаев ниже стоимости магистральных симметричных кабелей связи.

Оптические кабели, используемые при строительстве ВОЛС на грузонапряженных участках железных дорог, должны иметь не менее 16 волокон; на малозагруженных участках или для подключения удаленных для магистрали объектов - не менее 8 волокон для обеспечения резервирования и защиты. Оптические волокна при этом должны быть одномодовыми и сертифицированы для длин волн 1,31 мкм и 1,55 мкм.

При выборе типа оптического кабеля следует отдавать предпочтение кабелям со стандартным волокном, обеспечивающим работу систем STM-1/16. При этом могут быть использованы как отечественные кабели, так и кабели зарубежных фирм при наличии сертификации Министерства связи.

Отечественная промышленность освоила производство практически полностью номенклатуру оптических кабелей для магистральных, зоновых и местных сетей связи. В конструкциях кабелей применяются импортные материалы высокого качества, а также оптическое волокно, поставляемое, в основном, известными фирмами: Corning, Fujikura, Samsung, Lucent Technologies.

В настоящее время обладателями 16 сертификатов на производство оптических кабелей являются 11 отечественных предприятий и заводов:

- “Экспо-кабель” (г. Подольск);

- АО НФ “Электропровод” (г. Москва);

- ЗАО “Оптен” (г. С.-Петербург);

- АО “Севкабель-Оптика” (г. С.-Петербург);

- СП “Эликс-МО” (г. Москва);

- ЗАО “Оптика-кабель” (г. Москва);

- АО “Яуза-кабель” (г. Мытищи, Московская обл.);

- ЗАО “Самарская оптическая кабельная компания” (г. Самара).

- ЗАО “Москабельмет” (г. Москва);

- ЗАО “Воронежтелекабель” (г. Воронеж);

- ЗАО “Трансвок” (г. Калуга)

Из большого числа наименований кабельной продукции приведем ряд характерных примеров оптического кабеля, выпускаемых основными отечественными производителями.

ЗАО “Москабельмет” (г. Москва).

Предприятие изготавливает ОК для ВСС России (магистральные, внутризоновые, городские) по номенклатуре ТУ 16.К. Основные параметры наиболее распространенных ОК производства “Москабельмет” приведены в табл. 1

Основные параметры оптических кабелей производства “Москабельмет”.

Таблица 1

Марка кабеля	Макси- мальное число ОВ	Максимально допустимая растягиваю-щая нагрузка, кН	Наружный диаметр, мм	Удельная масса, кГ/км	Диапазон рабочих температур, 0С
А-Дв2Y1х12	12	7	13,6	323,18	-40...+60
А-D(ZN)b2Y6x4	24	2,7	13,5	168	-40...+60
ADSS-D2Y(ZN)2Y6x4	24	6,0	12,7	125	-60...+60

Кабель типа А-Дв2Y1x12 - с центральной трубкой, в которой размещаются 12 одномодовых ОВ различной расцветки, бронированный 12 стальными проволоками диаметром 1,7 мм, имеет защитную полиэтиленовую оболочку. Кабель предназначен для прокладки в грунтах всех категорий (кроме подверженных мерзлотным деформациям), трубах, на мостах, через неглубокие болота и несудоходные реки.

A-D(ZN)b2Y6x4 - с центральным стеклопластиковым стержнем, вокруг которого навиваются шесть модулей (в модуле помещается 4 стекловолокна), скрепленные лентой, а затем арамидные нити с наложенной стальной гофрированной лентой и защитной оболочкой из полиэтилена. Кабели предназначены для прокладки в кабельной канализации, трубах, на мостах.

ADSS-D2Y(ZN)2Y6x4 - самонесущий диэлектрический кабель с 6 модулями с промежуточной оболочкой из полиэтилена, слоем арамидных нитей и защитной оболочкой из полиэтилена. Используется для подвески на опорах контактной сети железных дорог.

ЗАО “Оптен” (г. С.-Петербург)

Предприятие изготавливает оптические кабели (магистральные, внутризоновые, городские ) по номенклатуре ТУ ). Основные параметры наиболее распространенных ОК производства “Оптен” приведены в табл.2

Основные параметры оптических кабелей производства “Оптен”.

Таблица 2

Марка кабеля	Максимальное число ОВ	Максимально допустимая растягивающая нагрузка, кН	Наружный диаметр, мм	Удельная масса, кГ/км
СПУ-06-12Е2 СПУ-04-32Е8	12 32	14,0 14,0	17,6 17,6	615 615
ДПС-04-32Е8 ДАУ-04-32-Е8	32 32	8,0 21,0	16,0 19,0	490 810
ДА2-0408Е2 ДА2-0432Е8	8 32	30,0 35,0	24,2 25,5	1435 1575
ДОТ-05-40Е8 ДПТ-05-40Е8	40 40	7,0 7,0	14,0 15,5	155 190
ДОМ-04-08Е2 ДОМ-06-12Е2 ДОМ-04-32Е8	8 12 32	15 15 14,0	16,2 16,2 16,2	285 285 285
ДПМ-04-08Е2 ДПМ-06-12Е2 ДПМ-04-32Е8	8 12 32	15 16,5 19	16,2 16,2 17,2	285 315 315

Кабели модульной конструкции СПУ-04/06 (с металлическим центральным элементом) и ДПС-04, ДАУ-04 (диэлектрические) поставляются с числом оптических волокон в модуле от 1 до 10 (в приведенных типах 2 и 8). В сердечнике располагается 4 или 6 оптических модуля. Могут прокладываться в трубах, по мостам и в тоннелях, грунтах всех категорий и при пересечении болот.