Проектирование междугородной магистрали между г. Москва и г. Новгород с использованием оптического кабеля

Проектирование междугородной магистрали между г. Москва и г. Новгород с использованием оптического кабеля

Министерство информационных технологий и связи Российской Федерации

Федеральное агентство связи

Уральский технический институт связи и информатики (филиал)

ГОУ ВПО «СибГУТИ»

Курсовая работа

по дисциплине: "Физические основы передачи информации по ВОЛС"

на тему: «Проектирование междугородной магистрали между г. Москва и г. Новгород с использованием оптического кабеля»

Екатеринбург, 2014

Содержание

Введение

Исходные данные

. Расчет числа каналов на магистрали

. Выбор системы передачи и кабеля

.1 Выбор системы передачи и определение емкости кабеля

.2 Конструктивный расчет кабеля

. Выбор и характеристика трассы

. Расчет параметров оптического кабеля

.1 Расчет числовой апертуры, нормированной частоты и числа мод

.2 Расчет ослабления сигнала в ОВ

.3 Дисперсия и пропускная способность

. Расчет длины регенерационного участка

Введение

Исключительная роль ВОСП в мировом сообществе в развитии связи стала в настоящее время очевидной и бесспорной. Бурный рост мирового рынка волоконно-оптической техники опережает темпы роста рынка других отраслей техники. К 2000 году почти все вновь вводимые многоканальные линии связи являются волоконно-оптическими. В России, несмотря на неустойчивость экономики, в последние годы также наблюдается ощутимый рост вводимых в эксплуатацию сетей связи на оптических кабелях - локальных, наложенных, региональных и др.

В связи с этим ОК широко внедряют на местных, внутризоновых и магистральных сетях связи, на связях внутри объектов (учреждений, предприятий, подвижных средств), для соединения между собой узлов аппаратуры и частей вычислительных, измерительных и других комплексов.

В настоящее время многие развитые страны стремятся создать единую синхронную цифровую иерархию, которая будет представлять пользователям широкую гамму услуг: телефонной связи, телевидения, передачи данных, текстовых сообщений и др.

Сейчас оптические системы и кабели вышли из стадии опытных испытаний и вступили в массовое практическое применение. В первую очередь они используются для устройства соединительных линий между АТС и в пригородах, где они замещают металлоёмкие кабели с медными жилами. Развитие оптических систем передачи обусловлено их большой информационной способностью, помехозащищенностью и относительной дешевизной по сравнению с медно-жильными кабелями.

Оптические кабели применяются для монтажа радиоэлектронной аппаратуры, в вычислительной и измерительной технике, на высоковольтных линиях электропередач для организации технологической связи. По сравнению с медно-жильными кабелями, оптические кабели обладают большей технологической эффективностью. Во-первых, достигается большая экономия цветных металлов, во-вторых, обеспечивается значительно меньшее затухание, в третьих, значительно уменьшаются габариты и масса. Кабели не подвержены грозовым и импульсным воздействиям, свободны от индустриальных помех. Малое затухание обеспечивает увеличение расстояния между ретрансляторами и оконечными пунктами.

В курсовом проекте предложено реализовать с максимальной точностью проектные решения по прокладки ВОЛС между двумя заданными пунктами (г.Москва и г.Новгород).

Исходные данные

Трасса магистральной линии связи (в скобках приведена численность жителей города + области):

г.Москва (6 686 тыс. чел.) - г.Новгород (753 тыс. чел.).

Данные к расчету параметров передачи ОВ:

Коэффициент преломления сердцевины n1 - 1,455;

Длина волны l - 1,31 мкм;

Диаметр сердцевины dc - 8 мкм;

Коэффициент преломления оболочки n2 - 1,445.

Данные к расчету длины регенерационного участка:

Уровень передачи на выходе регенератора Р0 - -4 dВм;

Допустимый уровень сигнала на входе регенератора Pkmin - -51 dВм;

Затухание сигнала в неразъемных соединениях an - 0,2 dB;

Затухание сигнала в разъемных соединениях ap - 0,5 dB;

1. Расчет числа каналов на магистрали

Число каналов, связывающих заданные оконечные пункты, в основном зависит от численности населения в этих пунктах и от степени заинтересованности отдельных групп населения во взаимосвязи.

Численность населения в любом областном центре и в области в целом может быть определена на основании статистических данных последней переписи населения. Количество населения в заданном пункте и его подчиненных окрестностях с учетом среднего прироста населения определяется по формуле:

, чел.,

где    - народонаселение в период переписи населения, чел.;

- средний годовой прирост населения в данной местности, %;- период, определяемый как разность между назначенным годом перспективного проектирования и годом проведения переписи населения.

Год перспективного проектирования принимается на 5 лет вперед по сравнению с текущим временем. Следовательно,

,

где    - год составления проекта (в моем случае - 2006 год);

 - год, к которому относятся данные  (последняя перепись населения в РФ производилась в 2002 году).

, чел.

Подставим в формулу численные значения:

 человек - количество населения в г.Москва и его подчиненных окрестностях с учетом среднего прироста населения

человек - количество населения в г.Новгород и его подчиненных окрестностях с учетом среднего прироста населения

Степень заинтересованности отдельных групп населения во взаимосвязи зависит от политических, экономических, культурных и социально - бытовых отношений между группами населения, районами и областями. Взаимосвязь между заданными оконечными и промежуточными пунктами определяется на основании статистических данных, полученных предприятием связи за предшествующие проектированию годы. Практически эти взаимосвязи определяются через коэффициент тяготения f1, численное значение которого, как показывают исследования, колеблется в широких пределах (от 0,1 до 12%). Для моего проекта значение f1 =5%.

Учитывая это, а также то обстоятельство, что телефонные каналы в междугородней связи имеют превалирующее значение, необходимо определить сначала количество телефонных каналов между заданными оконечными пунктами. Для расчета телефонных каналов используем приближенную формулу:

,

где    и  - постоянные коэффициенты, соответствующие фиксированной доступности и заданным потерям; обычно потери задаются 5%, тогда =1,03 и =1,05;

 - коэффициент тяготения, =0,05 (5%);

 - удельная нагрузка, т.е. средняя нагрузка, создаваемая одним абонентом, =0,05 Эрл;

 и  - количество абонентов, обслуживаемых той или иной оконечной АМТС соответственно в пунктах А и Б (для моего проекта  и ); определяется в зависимости от численности населения, проживающего в зоне обслуживания. Принимая средний коэффициент оснащенности населения телефонными аппаратами равным 0,4, количество абонентов в зоне АМТС можно определить по формуле:

 человек

 человек

Подставим в формулу численные значения:

 телефонных каналов между г.Москва и г.Новгород

,

где    - число двусторонних каналов для телефонной связи;

 - число двусторонних каналов для телеграфной связи;

 - число двусторонних каналов для проводного вещания;

 - число двусторонних каналов для передачи данных;

 - число двусторонних каналов для передачи газет;

 - транзитные каналы.

Для курсового проекта принимаем:

То есть, выражаем число каналов для организации связи различного назначения через число телефонных каналов.

Тогда общее число каналов по упрощенной формуле составит:

,

где  - число двусторонних телефонных каналов, =875.

Подставим численные значения в формулу:

 каналов

 каналов - общее число каналов между г.Москва и г.Новгород

2. Выбор системы передачи и кабеля

.1 Выбор системы передачи и определение емкости кабеля

Емкость кабеля и система передачи выбирается в зависимости от потребного числа телефонных каналов и каналов телевидения при использовании серийно выпускаемой аппаратуры для их уплотнения.

Система связи оптического кабеля предусматривает передачу информации по одному оптическому волокну, а прием - по другому, что эквивалентно четырехпроводной, однокабельной схеме организации связи.

Исходя из рассчитанного в п.1 курсового проекта числа каналов между г.Москва и г.Новгород равное 1 750 каналам, и следуя правилу экономичности проектируемой линии как по капитальным затратам, так и по эксплуатационным расходам, я выбрала оптическую систему передачи, созданную на базе стандартных систем PDH для электрического кабеля, ИКМ-1920 на 1 920 каналов с FT =140 МГц. При моем выборе запас на каналы не превышает требуемых 15-20%.

Для магистральной сети предусматривается система передачи «Сопка-4» на скорости 139,264 Мбит/с.

Технические характеристики выбранной системы передачи приведены в таблице 1 [1].

Таблица 1 - Характеристики отечественной ВОСП «Сопка-4» (ИКМ-1920)

2.2 Конструктивный расчет кабеля

При разработке конструкции ОК следует учитывать ряд требований:

кабель должен быть надежно защищен от внешних механических воздействий;

при изгибе кабеля или при его растяжении в процессе прокладки ОВ должны оставаться неповрежденными по всему сечению кабеля;

в конструкции должны быть как минимум, две медные жилые, по которым к регенераторам подается дистанционное электропитание по системе «провод-провод», в отдельных случаях оно может подаваться по системе «провод - металлическая оболочка».

Следуя вышеуказанным требованиям и выбранной в п.2.3 системе передачи, для прокладки магистрали между г.Москва и г.Новгород я использую оптический кабель ОМЗКГ. Ниже описаны все его характеристики.

Как уже было сказано выше для магистральной сети предусматривается система передачи на скорости 139,264 Мбит/с, для таких скоростей передачи могут применяться только одномодовые оптические волокна, так как даже высококачественные градиентные многомодовые волокна с полосой пропускания 1,2…1,5 МГц ограничивают длину участка регенерации, внося недопустимый дисперсионные искажения.

Для магистральных ВОСП «Сопка-4» по ТУ 16.К71-018-88 до 1990г. выпускался оптический кабель марки ОМЗ на длину волны 1,3 мкм с 4, 8 или 16 одномодовыми ОВ, расположенными в пазах профилированного пластмассового сердечника. Одномодовое оптическое волокно имеет следующие геометрические размеры: диаметр модового поля 8,5±1 мкм; диаметр оболочки 125±3 мкм; неконцентричность сердцевины и оболочки не более 0,7 мкм. Защитное покрытие ОВ - из эпоксикрилата [2].

Оптические кабели типа ОМЗКГ предназначаются для прокладки ручным и механизированным способами в кабельной канализации, в трубах, блоках и коллекторах, грунтах всех категорий, кроме подверженных мерзлотным деформациям, а также в воде при пересечении болот и рек. Кабели эксплуатируются при температуре -40…+500С.

Полная марка одной из разновидностей кабеля имеет вид: ОМЗКГ-10-1-0,7-4, что означает: кабель оптический магистральный и внутризоновый с центральным профилированным элементом, в пазы которого уложены одномодовые ОВ с диаметром модового поля 10 мкм, покрытием оболочкой из ПВХ пластиката, гидрофобным заполнителем, броней из не менее 12 неметаллических армирующих элементов в виде стеклопластиковых стержней и стеклонитей, обмотанных скрепляющей фторопластовой или полиэтилентерефталатной лентой, броней из стальных проволок диаметром 1,2±0,2 мм, изолированных ПЭ с наружным диаметром 2,5±0,2 мм, в ПЭ оболочке. Коэффициент затухания до 0,7дБ/км. Число ОВ равно 4.

Строительная длина магистрального кабеля должна быть не менее 2000 м. Конструкция кабеля типа ОМЗКГ приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Конструкция кабеля типа ОМЗКГ:

- сердцевина ОВ; 2 - защитная оболочка ОВ (эпоксиакрилат); 3 - оптическое волокно; 4 - центральный профилированный элемент (ПВХ пластикат); 5 - паз провилированного элемента; 6 - армирующий элемент (тефлоновые нити, нити СВМ или стеклопластик); 7 - скрепляющая лента (фторопластиковая или полиэтилентерефталатная); 8 - ПВХ оболочка; 9 - ПЭ оболочка.

Основные характеристики кабеля типа ОМЗКГ-10-1-0,7-4 сведены в таблицу 2.

Таблица 2 - Характеристики кабеля типа ОМЗКГ-10-1-0,7-4

3. Выбор и характеристика трассы

Трасса прокладки кабеля определяется расположением оконечных пунктов. Все требования, учитываемые при выборе трассы, можно свести к трем основным: минимальные капитальные затраты на строительство, минимальные эксплуатационные расходы и удобство обслуживания.

Для обеспечения первого требования учитывается протяженность трассы, наличие и сложность пересечения рек, железных и шоссейных дорог, трубопроводов, характер местности, почв, грунтовых вод, возможность применения механизированной прокладки, необходимость защиты сооружений связи от электромагнитных влияний и коррозии, возможность и условия доставки грузов (материалов, оборудования) на трассу.

Для обеспечения второго и третьего требований учитывают жилищно-бытовые условия и возможность размещения обслуживающего персонала, а также создание соответствующих условий для исполнения служебных обязанностей.

В моем случае трассу прокладки кабеля лучше выбрать вдоль автомобильных дорог. Она более удобна для обслуживания из-за наличия подъездных путей к регенерационным пунктам.

По заданным оконечным пунктам Москва - Новгород выбираем трассу прокладки кабеля, исходя из вышеперечисленных рекомендаций по проектированию кабельных магистралей. Трасса проходит через населенные пункты: Москва - Солнечногорск - Клин - Тверь - Торжок - Вышний Волочек - Выползово - Валдай - Пролетарий - Новгород.

После изучения трассы по карте можно сделать вывод, что трассу выгоднее проложить по правую сторону магистрали, следуя от начального пункта (г.Москва), так по этой стороне намного меньше ответвлений автомобильных дорог и кроме того большая часть трассы по левую сторону (от г.Вышний Волочек до г.Новгород) обозначена на карте как «Дорога с красивыми видами».

Характеристика трассы сведена в таблицу 3.

Выкопировка карты с нанесением трассы ВОЛС приведена на рисунке 2.

Таблица 3 - Характеристика трассы

4. Расчет параметров оптического кабеля

Простейшие ОВ представляют собой круглый диэлектрический (стекло или прозрачный полимер) стержень, называемый сердцевиной, окруженный диэлектрической оболочкой. Показатель преломления материала сердцевины  всегда больше показателя преломления оболочки , где  и  - относительные диэлектрические проницаемости сердцевины и оболочки соответственно [3].

.1 Расчет числовой апертуры, нормированной частоты и числа мод

Для передачи сигналов по ОВ используется явление полного внутреннего отражения на границе раздела двух диэлектрических сред ().

Апертура - это угол между оптической осью и одной из образующих светового конуса, попадающего в торец волоконного световода, при котором выполняется условие полного внутреннего отражения.

По оптическому волокну будут эффективно передаваться только лучи, заключенные внутри телесного угла , величина которого обусловлена углом полного внутреннего отражения. Этот телесный угол характеризуется числовой апертурой:

,

где    и  - показатели (коэффициенты) преломления сердцевины и оболочки соответственно.

Подставим в формулу численные значения:

Режим работы оптического волокна определяется нормированной частотой ОВ. Расчет нормированной частоты n производится по формуле:

,

где    l - длина волны излучателя, мкм;

 - диаметр сердцевины ОВ, мкм.

Подставим в формулу численные значения:

Как правило, если значение нормированной частоты находится в пределах от 0 до 2,405, то имеет место одномодовый режим передачи, если же данный параметр больше, режим работы - многомодовый.

Я получила значение нормированной частоты равное 3,26. Следовательно, режим работы оптического волокна для моего курсового проекта определяется как многомодовый. Но исходные данные даны некорректно и по определению режима работы для взятого мною кабеля режим работы принимается как одномодовый.

.2 Расчет ослабления сигнала в ОВ

Ослабление сигнала в ОВ обусловлено собственными потерями  и дополнительными кабельными потерями , обусловленными неоднородностями конструктивных параметров, возникающих при деформации и изгибе световодов в процессе наложения покрытий и защитных оболочек при изготовлении кабеля. Коэффициент затухания (ослабления):

Величина в реальных условиях составляет 0,3 - 0,5 дБ/км (в моем курсовом проекте я использую значение  равное 0,4 дБ/км). Собственные потери  состоят из трех составляющих: ослабления за счет поглощения aп; ослабления за счет наличия в материале ОВ посторонних примесей aпр; ослабления за счет потерь на рассеяние aр [1]. Отсюда:

Потери энергии также существенно возрастают из-за наличия в материале ОВ посторонних примесей aпр, таких, как гидроксильные группы (OH), ионы металлов и другие включения. В области резонансов собственных колебаний ионов примесей обычно имеются всплески затухания (ослабления). Обычно из-за примесей возникают всплески ослабления на волнах 0,95 и 1,4 мкм. При этом наблюдаются три окна прозрачности световода с малыми ослаблениями в диапазонах волн 0,8 - 0,9, 1,2 - 1,3, 1,5 - 1,6 мкм.

Рассеяние обусловлено неоднородностями электрических параметров материала ОВ, примесями, размеры которых меньше длины волны, и тепловой флуктуацией показателя преломления.

Коэффициент затухания (dВ/км) за счет рассеяния:

магистраль оптический кабель

,

где l - длина волны, мкм.

Подставим в формулу численные значения:

 dВ/км

В соответствии со сказанным можно считать:

Итак, найдем коэффициент затухания:

 dВ/км

.3 Дисперсия и пропускная способность

Наряду с затуханием сигнала важнейшим параметром ВОЛС является полоса частот DF, пропускаемая ОВ. Она определяет тот объем информации, который можно с заданным качеством передать по оптическому кабелю. Теоретически по ОВ можно организовать огромное число каналов на большие расстояния, а практически DF ограничена. Это обусловлено тем, что сигнал на другой конец приходит искаженным (импульс размывается, уширяется) вследствие различия фаз его составляющих. Данное явление оценивают величиной уширения передаваемых импульсов tu.

Пропускная способность ОК зависит от типа и свойств ОВ (одномодовые или многомодовые, градиентные или ступенчатые), а также от типа излучателя (лазер или светоизлучающий диод).

Сравнивая дисперсионные характеристики различных ОВ, можно отметить, что лучшими данными обладают одномодовые световоды, так как в них отсутствует модовая дисперсия.

Дисперсия - это рассеяние во времени спектральных или модовых составляющих оптического сигнала. Дисперсия приводит к увеличению длительности импульса при прохождении по оптическому кабелю [1].

Дисперсию для одномодового волокна можно рассчитать по формуле:

,

где    - ширина спектра излучения источника, =2 нм;

 - удельная материальная дисперсия ОВ для заданной длины волны;

 - удельная волновая дисперсия ОВ для заданной длины волны.

Значения  и  как правило задаются таблично [4]. При =1,31 мкм, = -5 пс/(км×нм) и =8 пс/(км×нм).

Подставим в формулу численные значения:

, c/км

Теперь можно найти коэффициент широкополосности DF МГц/км (или пропускную способность ОВ) по формуле:

, Гц/км

, МГц/км

, ГГц/км

5. Расчет длины регенерационного участка

Длина регенерационного участка lp волоконно - оптической линии связи определяется двумя параметрами ОВ. С одной стороны это затухание оптического волокна a, с другой - дисперсия (уширение передаваемых импульсов) tи. Поэтому длину регенерационного участка рассчитывают, учитывая оба этих параметра [3].

Длина регенерационного участка по затуханию определяется по формуле:

,

где    Р0 - уровень передачи на выходе регенератора;- допустимый уровень сигнала на входе регенератора;- затухание сигнала в неразъемных соединениях;- затухание сигнала в разъемных соединениях;

a - коэффициент затухания;- величина отдельной строительной длины (км).

Подставим в формулу численные значения:

, км

Длина регенерационного участка по дисперсии определяется по формуле:

,

где    FT - тактовая частота ИКМ сигнала выбранной мною системы передачи ИКМ-1920, FT =140 МГц

Подставим в формулу численные значения:

, км

Из определенных значений lp по дисперсии и по затуханию, длина регенерационного участка выбирается по наименьшему значению, в данном случае длина регенерационного участка равна lp=48 км.