Модернизация междугородней магистрали Астана-Костанай с использованием волоконно-оптических линий связи: анализ, расчёты и проектные решения

Тип работы: Реферат
Бесплатно: Антиплагиат
Объем: 22 страниц
В избранное:

Содержание

Введение 1-3

1. Анализ состояния существующей сети 3-8

2. Модернизация кабельной магистрали Астана - Костанай на базе волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) 8-14

3. Выбор системы передачи 14-21

Заключение 22-23

Список используемой литературы 24

Введение

Линии связи возникли одновременно с появлением электрического телеграфа. Первые линии связи были кабельными. Однако вследствие несовершенства конструкции кабелей подземные кабельные линии связи вскоре уступили место воздушным. Первая воздушная линия большой протяженности была построена в 1854 г. между Петербургом и Варшавой. Создание первых кабельных линий связано с именем русского ученого П. Л. Шиллинга. Еще в 1812 г. Шиллинг в Петербурге демонстрировал взрывы морских мин, использовав для этой цели созданный им изолированный проводник. Первые подводные кабели были проложены в 1852 г. через Северную Двину и в 1879 г. через Каспийское море между Баку и Красноводском. В 1866 г. вступила в строй кабельная трансатлантическая магистраль телеграфной связи между Францией и США.
Первые конструкции кабелей связи, относящиеся к началу XX века, позволили осуществлять телефонную передачу на небольшие расстояния. Это были так называемые городские телефонные кабели с воздушно-бумажной изоляцией жил и парной их скруткой. В 1900-1902 гг. была сделана успешная попытка повысить дальность передачи методами искусственного увеличения индуктивности кабелей путем включения в цепь катушек индуктивности (предложение Пупина), а также применения токопроводящих жил с ферромагнитной обмоткой (предложение Крарупа) . Такие способы на том этапе позволили увеличить дальность телеграфной и телефонной связи в несколько раз.

В 30 - х годах началось развитие многоканальных систем передачи. В последующем стремление расширить спектр передаваемых частот и увеличить пропускную способность линий привело к созданию новых типов кабелей, так называемых коаксиальных. Но массовое изготовление их относится лишь к 1935 г., к моменту появления новых высококачественных диэлектриков типа эскапона, высокочастотной керамики, полистирола, стирофлекса и т. д. Эти кабели допускают передачу энергии при частоте токов до нескольких миллионов Герц и позволяют производить по ним передачу телевизионных программ на большие расстояния. Первая коаксиальная линия на 240 каналов ВЧ телефонирования была проложена в 1936 г. По первым трансатлантическим подводным кабелям, проложенным в 1856 г., организовывали лишь телеграфную связь, и только через 100 лет, в 1956 г., была сооружена подводная коаксиальная магистраль между Европой и Америкой для многоканальной телефонной связи.
В эпоху научно-технической революции связь стала составным звеном производственного процесса. Она используется для управления технологическими процессами, электронно-вычислительными машинами, роботами, промышленными предприятиями т. д. Непременным и одним из наиболее сложных и дорогостоящих элементов связи являются линии связи (ЛС), по которым передаются информационные электромагнитные сигналы от одного абонента (станции, передатчика, регенератора и т. д. ) к другому (станции, регенератору, приемнику и т. д. ) и обратно. Очевидно, что эффективность работы систем связи во многом предопределяется качеством ЛС, их свойствами и параметрами, а также зависимостью этих величин от частоты и воздействия различных факторов, включая мешающие влияния сторонних электромагнитных полей.
Различают два основных типа ЛС: линии в атмосфере (радиолинии РЛ) и направляющие линии передачи (линии связи) . Отличительной особенностью направляющих линий связи является то, что распространение сигналов в них от одного абонента (станции, устройства, элемента схемы и т. д. ) к другому осуществляется только по специально созданным цепям и трактам ЛС, образующим направляющие системы, предназначенные для передачи электромагнитных сигналов в заданном направлении с должными качеством и надежностью.
В настоящее время по линиям связи передаются сигналы от постоянного тока до оптического диапазона частот, а рабочий диапазон длин волн простирается от 0, 85 мкм до сотен километров.
Различают три основных типа ЛС: кабельные (КЛ), воздушные (ВЛ), волоконно-оптические (ВОЛС) . Кабельные и воздушные линии относятся к проводным линиям, у которых направляющие системы образуются системами “проводник - диэлектрик”, а волоконно - оптические линии представляют собой диэлектрические волноводы, направляющая система которых состоит из диэлектриков с различными показателями преломления.

В 1965 - 1967 гг. появились опытные волноводные линии связи для передачи широкополосной информации, а также криогенные сверхпроводящие кабельные линии с весьма малым затуханием. С 1970 г. активно развернулись работы по созданию световодов и оптических кабелей, использующих видимое и инфракрасное излучения оптического диапазона волн.
Создание волоконного световода и получение непрерывной генерации полупроводникового лазера сыграли решающую роль в быстром развитии волоконно-оптической связи. К началу 80 - х годов были разработаны и испытаны в реальных условиях волоконно-оптические системы связи. Основные сферы применения таких систем - телефонная сеть, кабельное телевидение, внутриобъектовая связь, вычислительная техника, система контроля и управления технологическими процессами и т. д.

Волоконно-оптические линии связи представляют собой системы для передачи световых сигналов микроволнового диапазона волн от 0, 8 до 1, 6 мкм по оптическим кабелям. Этот вид линий связи рассматривается как наиболее перспективный. Достоинствами ВОЛС являются низкие потери, большая пропускная способность, малые масса и габаритные размеры, экономия цветных металлов, высокая степень защищенности от внешних и взаимных помех.

ВОЛС - это информационная сеть, связующими элементами между узлами которой являются волоконно-оптические линии связи. Технологии ВОЛС помимо вопросов волоконной оптики охватывают также вопросы, касающиеся электронного передающего оборудования, его стандартизации, протоколов передачи, вопросы топологии сети и общие вопросы построения сетей.

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. 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.

Анализ состояния существующей сети

Между Астаной и Костанаем вдоль автомобильной трассы проходит междугородная линия связи, протяжённостью 680 километров (Рисунок-1. 1) . Для строительства магистрали был выбран кабель МКС-4х4х1. 2 с аппаратурой передачи К - 60П.

Рисунок-1. 1. Трасса Астана - Костанай

МКС-4х4 (рисунок-1. 2) - наиболее распространённый симметричный кабель. Диаметр медных жил 1, 2 мм. Токопроводящие жилы высокочастотных четвёрок изолируются разноцветным полистирольным корделем диаметром 0, 8 мм и полистирольной лентой толщиной 0, 05 мм с перекрытием 25 - 30 %. Первая пара каждой четвёрки состоит из жил красного и жёлтого цветов, вторая пара - из жил синего и зелёного цветов. Центр четвёрки заполняется стирофлексным корделем диаметром 1, 1 мм. Шаги скруток вех четвёрок различны, взаимно согласованы и лежат в пределах 125 - 275 мм.

Рисунок-1. 2. Симметричный четырехчетверочный кабель МКС-4х4.

Параметры симметричного кабеля МКС-4х4х1. 2.

Исходные данные: частота 250 Гц.

Диаметр изолированной жилы d1=3, 08 мм.

Диаметр звёздной группы d3=2, 4 d1=7, 4 мм.

Расстояние между центрами жил а=1, 41 d1=4, 34 мм

Сопротивление цепи рассчитываем по формуле 1. 1:

(1. 1)

Таблица 1. 1 - Параметры симметричного кабеля

По данным таблице 1. 1 определяем kr:

Значения F(kr), H(kr) и G(kr) находим из таблицы 1. 2: F=1, 4; H=0, 58; G=1.

Таблица 1. 2

Индуктивность рассчитываем по формуле 1. 2:

(1. 2)

По таблице 1. 2 находим Q(kr) =Q(6, 3) =0, 45

Ёмкость находим по формуле 1. 3:

(1. 3)

Коэффициент, характеризующий удаление жил от заземлённой оболочки:

Проводимость изоляции рассчитываем по формуле 1. 4:

(1. 4)

Коэффициент затухания вычисляется по формуле 1. 5:

(1. 5)

Коэффициент фазы находим по формуле 1. 6:

(1. 6)

Волновое сопротивление в области высоких частот рассчитываем по формуле 1. 7:

(1. 7)

Скорость распространения находим по формуле 1. 8:

(1. 8)

Время распространения:

Возможности аппаратуры К - 60П

Первое, это передача речевой информации. С этой задачей К - 60П справляется великолепно. Второе, передача цифровой информации с использованием модемов. Здесь возникают некоторые проблемы, связанные с общими принципами построения этой системы. Прежде всего, это доступная полоса частот канала ТЧ, которая составляет, гарантированно 3100 кГц (от 0, 3 до 3, 4 кГц), а в реальности она может быть гораздо меньше. Это связано с невозможностью точной настройки генераторного оборудования К-60П. Расхождения есть всегда. А нам известно, что этот фактор сказывается на скорости соединения модемов. И поэтому в лучшем случае, скорость, которую возможно получить при работе через аппаратуру К-60П составляет 31, 2 Кбит/с (протокол V. 34), а реальные скорости колеблются от 14400 до 26400 бит/с. Качество работы, на которое влияют такие параметры, как импульсные помехи, скачки фазы, скачки амплитуды, перерывы связи, Вполне приемлемо для большинства задач и гораздо выше, чем на ТфОП и составляет в среднем 0, 001 для средней скорости 24000 бит/с. Это позволяет организовать работу двух каналов по одному каналу ТЧ используя для этого модем работающий на скорости не ниже 26400 бит/с, маршрутизатор Cisco с голосовой платой. Это удается сделать за счет исключения пауз в процессе разговора.

На рисунке-1. 3 представлена схема организации связи кабельной магистрали Астана - Костанай.

Рисунок-1. 3. Схема организации связи. Условные обозначения:

Модернизация кабельной магистрали Астана - Костанай на базе волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) .

Проектное решение по модернизации кабельной трассы Астана - Костанай.

Кабельная трасса Астана - Костанай нуждается в модернизации. Необходимо, междугородный симметричный кабель заменить на волоконно-оптические линии связи. Необходимость строительства ВОЛС «Астана - Костанай» протяженностью в 680 км продиктована растущим объемом передаваемой информации, международными требованиями по надежности и качеству связи, а также обеспечением эффективного использования транзитного потенциала страны.

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

Широкая полоса пропускания - обусловлена чрезвычайно высокой частотой несущей 1014Гц. Это дает потенциальную возможность передачи по одному оптическому волокну потока информации в несколько терабит в секунду. Большая полоса пропускания - это одно из наиболее важных преимуществ оптического волокна над медной или любой другой средой передачи информации.

Малое затухание светового сигнала в волокне. Выпускаемое в настоящее время промышленное оптическое волокно имеет затухание 0, 2-0, 3 дБ на длине волны 1, 55 мкм в расчете на один километр. Малое затухание и небольшая дисперсия позволяют строить участки линий без ретрансляции протяженностью до 100 км и более.

Низкий уровень шумов в волоконно-оптическом кабеле позволяет увеличить полосу пропускания, путем передачи различной модуляции сигналов с малой избыточностью кода.

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.

Малый вес и объем. Волоконно-оптические кабели (ВОК) имеют меньший вес и объем по сравнению с медными кабелями в расчете на одну и ту же пропускную способность. Например, 900-парный телефонный кабель диаметром 7, 5 см, может быть заменен одним волокном с диаметром 0, 1 см. Если волокно "одеть" в множество защитных оболочек и покрыть стальной ленточной броней, диаметр такого ВОК будет 1, 5 см, что в несколько раз меньше рассматриваемого телефонного кабеля.

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.

Взрыво- и пожаробезопасность. Из-за отсутствия искрообразования оптическое волокно повышает безопасность сети на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного риска.

Экономичность ВОК. Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличии от меди. В настоящее время стоимость волокна по отношению к медной паре соотносится как 2:5. При этом ВОК позволяет передавать сигналы на значительно большие расстояния без ретрансляции. Количество повторителей на протяженных линиях сокращается при использовании ВОК. При использовании солитонных систем передачи достигнуты дальности в 4000 км без регенерации (то есть только с использованием оптических усилителей на промежуточных узлах) при скорости передачи выше 10 Гбит/с.

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. За это время может смениться несколько поколений/стандартов приемо-передающих систем.

Удаленное электропитание. В некоторых случаях требуется удаленное электропитание узла информационной сети. Оптическое волокно не способно выполнять функции силового кабеля. Однако, в этих случаях можно использовать смешанный кабель, когда наряду с оптическими волокнами кабель оснащается медным проводящим элементом.

В результате модернизации кабельной магистрали Астана - Костанай население будет обеспечено качественной цифровой междугородной и международной связью, получит широкий доступ к различным новым видам телекоммуникационных услуг.

Расчет числа каналов связи.

1. Количество населения в Астане и Костанае, а также окрестностях с учетом среднего прироста определяется:

(2. 1)

где Н ₀ - число жителей на время проведения переписи населения, чел. ;

Н ₀ = 490 800 чел. в г. Астана (год проведения переписи населения - 2001) ;

Н ₀ = 122 500 чел. в г. Костанай (год проведения переписи населения - 2001) ;

∆Н - средний годовой прирост населения в данной местности, %, (принимается (2-3) %) ;

t - период, определяемый как разность между назначенным годом перспективного проектирования и годом проведения переписи населения, год.

Год перспективного проектирования принимается на 5÷10 лет вперед по сравнению с текущим годом. Если в проекте принять 5 лет вперед то:

t=5+(t _n -t _o ), (2. 2)

где t _n -год составления проекта; t _n = 2008 год

t _o - год, к которому относятся данные Н _{о ;} t _o = 2001 год

t=5+(2008 - 2001) =5+7=12 лет

По формуле (2. 1) рассчитаем численность населения в городе Астана и в городе Костанай :

= 490 800∙(1+2/100) ¹² = 588 960 чел.

= 122 500∙(1+2/100) ¹² =147 000 чел.

Расчет количества телефонных каналов

Учитывая то обстоятельство, что телефонные каналы в междугородной связи имеют превалирующее значение, предварительно необходимо определить количество телефонных каналов между заданными пунктами. Для расчета количества телефонных каналов можно воспользоваться приближенной формулой:

(2. 3)

где α и β - постоянные коэффициенты, соответствующие фиксированной доступности и заданным потерям; обычно потери задаются равными 5%, тогда α=1, 3; β=5, 6;

у- удельная нагрузка, то есть средняя нагрузка, создаваемая одним абонентом, у=0, 15 Эрл. ;

К _Т - коэффициент тяготения, колеблется в широких пределах от

(0, 1 до 12) %. В проекте принимаем К _Т =12%, т. е. К _Т =0, 12;

m _a и m _б - количество абонентов, обслуживаемых тем или иным оконечным пунктом, определяется в зависимости от численности населения, проживающего в зоне обслуживания. Принимая средний коэффициент оснащенности населения телефонными аппаратами равные 0, 3, количество абонентов будет определяться как:

m =0. 3⋅H _t (2. 4)

m _a =0, 3⋅ Equation. 3 = 0, 3∙588 960=176 688 чел. (количество абонентов в г. Астана) ;

m _б =0. 3⋅ = 0, 3∙147 000=44 100 чел. (количество абонентов в г. Костанай) .

Теперь по формуле (2. 3) находим n _mлф :

n _mлф =1, 3∙0, 12∙0, 15∙(176 688∙44 100) /( 176 688 +44 100) +5, 6 = 831, 4

Расчет общего числа каналов:

N _общ = Nтлф + Nв + Nтр

где Nв - число каналов ТЧ для передачи сигналов вещания;

Nтр - число транзитных каналов.

Nв=1

Nтр=2

N _общ = 831, 4+1+2=834, 4

Расчет количества цифровых потоков:

N _цпт = N _общ ∕30

N _цпт =834, 4∕30=27, 8 2Мб/с потока.

На проектируемой кабельной магистрали Астана - Костанай целесообразно использовать транспортный модуль первого уровня STM-1, так как STM-1 вмещает 155 Мбит/c потока. То есть вполне удовлетворяет нашим потребностям.

Тип и марка кабеля.

Для обеспечения работы STM-1, с учетом перспективы развития и выходом на сервер подходит кабель фирмы «Эликс кабель» марки ДПЛ.

Кабель марки ДПЛ изготавливается на основе лучших импортных и отечественных материалов. Данный тип кабеля предназначен для прокладки в грунте (до третьей категории), в кабельной канализации, трубах, блоках, коллекторах на мостах и в кабельных шахтах.

На рисунке-2. 1. представлены материалы, применяемые при изготовлении, и детали конструкции кабеля марки ДПЛ.

Рисунок-2. 1. Материалы, применяемые при изготовлении, и детали конструкции кабеля марки ДПЛ.

1. Оптическое волокно высшей категории качества SM. 10/125. 04. UV производства фирмы Fujikura (Япония) . По желанию заказчика возможно изготовление кабеля с медными служебными жилами диаметром 1, 13мм.

2. 4. В кабеле используются гидрофобные заполнители Naptel 851 и Naptel OP308 производства фирмы British Petroleum (Франция) .

3. Центральный силовой элемент - стальной трос (СПЛ…), либо стеклопластиковый пруток (ДПЛ) производства фирмы Cousin (Франция) .

5. 8. Промежуточная и внешняя оболочки изготавливаются из полиэтилена. Возможно изготовление кабеля из полиэтилена, не распространяющего горение.

6. Кабель имеет продольную гидроизоляцию бронирующего слоя (между внутренней полиэтиленовой оболочкой и стальной ламинированной лентой вводится гидрофобный заполнитель) .

7. Кабель защищен от грызунов гофрированной стальной лентой, имеющей двустороннее полимерное покрытие, производства Dow Chemicals (США) .

9. Оптические модули могут быть изготовлены как на основе полиэтилена, так и на основе (ПБТ) производства фирмы EMS Chemie AG (Швейцария) или фирмы BASF (Германия) .

Основные технические характеристики кабеля марки ДПЛ представлены в таблице 2. 1:

... продолжение

Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.