Волоконно-оптическая линия связи как вид системы передачи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, знакомство с особенностями проектирования. Анализ этапов расчета параметров кабеля и длины регенерационного участка.
Волоконнооптическая линия связи (ВОЛС) - это вид системы передачи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, известным под названием "оптическое волокно". Однако, в этих случаях можно использовать смешанный кабель, когда наряду с оптическими волокнами кабель оснащается медным проводящим элементом. Рассчитать нагрузку, полагая, что кроме чисто телефонной нагрузки имеются: передача данных, интернет и обмен телевизионными программами, причем число каналов передачи данных nпд=1,2 nтф, число каналов интернета nинт=5 nтф, а 2 телевизионных канала занимают полосу, эквивалентную n = 3200 телефонным каналам. Для кабеля с металлическими покровами: определить вероятное число повреждений кабеля от ударов молнии при заданных параметрах грозодеятельности в соответствии с «Руководством по защите оптических кабелей от ударов молнии» и выбрать защиту, если это необходимо; Для кабеля без металла во внешних покровах: - Определить угол поворота плоскости поляризации ? света в волокне во время удара молнии при заданных величинах I, а и ?.В курсовой работе были представлены основные этапы проектирования волоконнооптической линии связи между городами Волгоград и Саратов: расчет нагрузки, выбор системы передачи, трассы передачи, типа кабеля, метода прокладки, расчет параметров кабеля, длины регенерационного участка, а также упрощенный расчет грозозащиты для выбранного кабеля.
Введение
Волоконнооптическая линия связи (ВОЛС) - это вид системы передачи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, известным под названием "оптическое волокно".
ВОЛС - это информационная сеть, связующими элементами между узлами которой являются волоконнооптические 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.
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. Малое затухание светового сигнала в волокне. Выпускаемое в настоящее время отечественными и зарубежными производителями промышленное оптическое волокно имеет затухание 0,2-0,3 ДБ на длине волны 1,55 мкм в расчете на один километр.
Низкий уровень шумов в волоконнооптическом 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.).
Малый вес и объем. Волоконнооптические кабели (ВОК) имеют меньший вес и объем по сравнению с медными кабелями в расчете на одну и ту же пропускную способность.
Высокая защищенность от несанкционированного доступа. Поскольку ВОК практически не излучает в радиодиапазоне, то передаваемую по нему информацию трудно подслушать, не нарушая приема-передачи.
Гальваническая развязка элементов сети. Данное преимущество оптического волокна заключается в его изолирующем свойстве.
Взрыво- и пожаробезопасность. Изза 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.
1.Длительный срок эксплуатации
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. Такой кабель широко используется как в России, так и за рубежом.
Весьма перспективно применение оптических систем в кабельном телевидении, которое обеспечивает высокое качество изображения и существенно расширяет возможности информационного обслуживания абонентов.
В России и странах СНГ активно ведется строительство ВОЛС различного назначения: городских, зоновых, магистральных. В 86 городах (Москва, Нижний Новгород, С.-Петербург, Новосибирск, Тбилиси, Киев, Баку, Ташкент, Минск, Кишинев и др.) действуют оптические соединительные линии между АТС с цифровыми системами передачи ИКМ-120. Построен ряд зоновых линий внутриобластного назначения, например: Санкт-Петербург- Сосновый бор, Уфа-Стерлитамак, Тула-Щекино, Воронеж-Павловск, Рязань- Мосолово, Майкоп-Краснодар, Клин-Солнечногорск, Ростов-Азов, Курская область, Минск-Смолевичи, Рига-Юрмала и др. Построена одномодовая магистраль Санкт-Петербург-Минск протяженностью 1000 км на большое число каналов.
Обобщая: волоконнооптическая связь является самым надежным и качественным видом связи, обладающая очень высокой пропускной способностью. В экономическом плане характеризуется быстрой окупаемостью, несмотря на дорогое измерительное и монтажное оборудование. Выбор данной технологии для обеспечения связи между крупными городами является наиболее выгодным, среди прочих.
Необходимость постройки данной линии передачи, прежде всего, обусловлена статусом данных в курсовой работе городов. Оба города являются крупными административными центрами, с хорошо развитой экономикой, объединяющими в себе множество видов промышленности. Потребителями услуг будут являться десятки заводов и предприятий, преимущественно тяжелых отраслей производства, а также крупнейшие провайдеры услуг связи (МТС, Вымпелком, Мегафон).
Задание
1. Рассчитать нагрузку, полагая, что кроме чисто телефонной нагрузки имеются: передача данных, интернет и обмен телевизионными программами, причем число каналов передачи данных nпд=1,2 nтф, число каналов интернета nинт=5 nтф, а 2 телевизионных канала занимают полосу, эквивалентную n = 3200 телефонным каналам.
2. Выбрать систему передачи.
3. Выбрать трассу передачи из нескольких вариантов и обосновать этот выбор.
4. Выбрать тип кабеля, учитывая нагрузку, систему передачи, условия трассы и тип грунта.
5. Подсчитать затухание и дисперсию при заданных длинах волн.
6. Определить длину регенерационного участка при первой заданной длине волны.
7. Определить механические усилия при прокладке кабелеукладчиком, учитывая вес, строительную длину кабеля и заданный коэффициент трения. Сравнить с нормой (допустимой величиной).
8. Для кабеля с металлическими покровами: определить вероятное число повреждений кабеля от ударов молнии при заданных параметрах грозодеятельности в соответствии с «Руководством по защите оптических кабелей от ударов молнии» и выбрать защиту, если это необходимо;
Для кабеля без металла во внешних покровах: - Определить угол поворота плоскости поляризации ? света в волокне во время удара молнии при заданных величинах I, а и ?.
Таблица. Исходные данные: № Трасса Длины волн мкм Характеристики грунта Параметры грозодеятельности тип Омм q T, часов а, м I, КА
11 Волгог. (1000) - Сар. 899) 1.32 1.51 1.62 0.2 II - III 600 0.2 3.6 50 3 15 где ? - удельное сопротивление грунта;
f - коэффициент трения;
q - количество ударов молнии в 1 км2 площади за грозовой сезон (в год) для данной местности;
a- расстояние точки удара молнии в землю от кабеля (по поверхности земли);
T- суммарная продолжительность гроз в часах в данной местности.
I - ток молнии в амперах.
2.Расчет нагрузки
Число каналов, связывающих 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 может быть определена на основании данных последней переписи населения. По данным переписи 2010 года население города Волгоград составляет 1 017 985 человек, а города Саратов за 2010 год - 837 900 человек. При проектировании будем учитывать прирост населения. Количество населения в заданном пункте и тяготеющих к нему окрестностях с учетом среднего прироста населения равно:
где Н0 - население в период переписи;
Р - средний годовой прирост населения, 2-3 %;
t - время между годом планирования и годом переписи.
Приняв средний годовой прирост населения за 2 % и год перспективного планирования как 2014 год (на 5 лет вперед по сравнению с текущим временем), получаем: численность населения Волгограда составляет Нв = 1 180 331 человек;
численность населения Саратова составляет Но = 971 433 человек.
Количество абонентов определяется в зависимости от численности населения, проживающего в зоне обслуживания. Принимая коэффициент оснащенности телефонными аппаратами равным 0.5, количество абонентов в каждой зоне равно m = 0.5 Ht
Соответственно, в Волгоградемв = 590 112 абонента, в Саратовемо = 485711 абонентов
Расчет числа телефонных каналов производится по приближенной формуле:
где мв и мо - количество абонентов в каждой зоне; y - удельная нагрузка, создаваемая одним абонентом, у = 0.05 Эрл; ? = 1.3, ? = 5.6 и f1 = 0.05 - постоянные коэффициенты, соответствующие фиксированной доступности, заданным потерям и коэффициенту тяготения.
Получаем nтф = 871.409 ? 871 каналов.
Кроме телефонных каналов по кабельной линии организуют каналы и других видов связи. В нормальных условиях общее число каналов nоб равно:
где nпд - число каналов передачи данных; nинт - число каналов интернета;
nтв - число телевизионных каналов;
n ? nтф - число каналов для телеграфной связи, проводного вещания, транзитных каналов и т.д.
Потребности в передаче данных в настоящее время растут быстрее потребности в телефонных каналах и nпд может быть принято 1,2 nтф. Рост потребности в интернет-связях очень велик и может быть принят nинт = 5nтф. Также при проектировании предусмотрим два двусторонних телевизионных канала, которыми обмениваются соседние области. Учитывая, что один ТВ-канал занимает 1600 телефонных каналов, получаем общее число каналов: nоб = nтф nпд nинт nтв n ? 2 nтф nпд nинт nтв = (2 1.2 5)nтф 2*1600 = 8.2nтф 3200.
Согласно рекомендациям фирмы Corning при резком обострении ситуации, например, во время стихийных бедствий и чрезвычайных обстоятельств, потребность в каналах связи резко возрастает, поэтому необходимо учесть резервирование и возрастание потребности, вследствие чего рассчитанную величину следует увеличить по крайней мере в 2 раза. Окончательно получим:
nоб = 16.4nтф 3200 nоб = 17 490
3.Выбор системы передачи
Систему передачи будем выбирать на основе рассчитанного требуемого числа каналов nоб. Для обеспечения передачи 17 490 каналов выберем 2 отечественные системы передачи для междугородней связи «Сопка-5» на 7680 каналов со скоростью 560 Мбит/с. Тогда из 23 040 каналов связи 5550 будут резервными.
Прокладка кабеля должна осуществляться вдоль автомобильных дорог, соединяющих заданные города (Волгоград и Саратов). Рассмотрим маршрут, определенный с помощью информационной системы АВТОТРАНСИНФО как самый быстрый и самый короткий:
Рис.
Рис.
Маршрут проходит через большое количество населенный пунктов по трассе 1P 228, а значит, является удобным для строительства и эксплуатации волоконнооптической линии связи. Вторая трасса, как видно по эскизу существенно длиннее и прокладка кабеля будет стоить существенно дороже.
4.Выбор типа кабеля
Предполагается использование двух систем передачи «Сопка-5», количество волокон в кабеле должно быть равно 6. Число волокон в кабеле равно числу систем передачи. Для каждой системы передачи 2 волокна. 3*2=6, но поскольку число волокон в кабеле обычно равняется 4, 8, 16, то мы выбираем 8.
С помощью справочника «Волоконнооптические системы передачи и кабели», учитывая тип грунта на трассе и используемую систему передачи «Сопка-5», выбираем для проектируемой линии связи кабель типа ОКЛБ-01-0,3/3,5-4. Ниже представлено краткое описание и характеристики этого кабеля:
Рис.
5.Кабель ОКЛБ
Предназначен для магистральных, зоновых и городских сетей связи. Прокладывается в кабельной канализации, трубах, блоках, в грунтах всех категорий, в т.ч. с высокой коррозийной агрессивностью, в том числе зараженных грызунами, кроме подверженных мерзлотным деформациям, а так же через болота, озера, не сплавные и не судоходные реки глубиной до 2-х метров. При наружной оболочке в негорючем исполнении прокладывается в коллекторах, на мостах и блоках. Для кабеля ОКЛБ-01-0,3/3,5-4 коэффициент затухания составляет не более 0,3 ДБ/км, дисперсия - не более 3,5 пс/(нм км), наружный диаметр - 18,4 ±2,0 мм, расчетная масса 1 км - 404,0 кг.
Расчет параметров кабеля и длины регенерационного участка
Проверку и расчет параметров кабеля при заданных длинах волн будем проводить по примеру, приведенному в Справочнике «Волоконнооптические системы передачи и кабели».
7) Тангенс угла диэлектрических потерь в световоде tg? = 2?10-11;
8) Коэффициент рассеяния Kp = 1.3?10-24;
9) Волновое сопротивление Z0 = 376.7 Ом.
1. Относительное значение показателей преломления:
2. Числовая апертура
3. Нормированная частота (при заданных длинах волн ?1, ?2, ?3):
4. Критическая частота:
5.Критическая длинна волны:
6. Потери энергии на поглощение (при заданных длинах волн ?1, ?2, ?3):
7.Потери на рассеяннее:
8.Общие потери (при заданных длинах волн ?1, ?2, ?3):.Волноводная дисперсия:
10.Материальная дисперсия:
11.Результирующая дисперсия:
12.Пропускная способность:
13.Границы изменения фазовой скорости:
14.Границы изменения волнового сопротивления:
6.Выбор метода прокладки и определение механических усилий оптический связь волновод
При строительстве магистральной ВОЛС применяются следующие варианты прокладки кабеля: 1 .Прокладка ОК в грунт кабелеукладчиком
Этот способ является основным благодаря высокой производительности и эффективности. Он широко применяется на трассах с различными рельефами местности и разными грунтами. Для прокладки используются кабелеукладчики с активными и пассивными рабочими органами. С помощью ножевого кабелеукладчика в грунте прорезается узкая щель, и кабель укладывается на ее дно на заданную глубину залегания (0.9 … 1.2 м). При этом на кабель действуют механические нагрузки. Кабель на пути от барабана до выхода из кабеленаправляющей кассеты подвергается воздействию продольного растяжения, поперечного сжатия и изгиба, а в случаях применения вибрационных кабелеукладчиков - вибрационному воздействию. В зависимости от рельефа местности и характера грунтов, конструкции и технического состояния кабелеукладчиков, а также режимов работы механические нагрузки на кабель могут изменяться в широких пределах.
В России для прокладки различных кабелей связи вне населенных пунктов в грунтах соответствующих категорий применяются вибрационные кабелеукладчики КНВ-1 и КНВ-2 производства Опытного механического завода Межгорсвязьстроя. В 1995 г. здесь были разработаны и внедрены в производство кабелеукладчики КВГ-1 и КВГ-2, которые в отличие от КНВ, где вибратор приводится в действие с помощью механического привода, имеют гидравлический привод. Кроме того, рабочий навесной орган КВГ-2 может смещаться от оси движения базового механизма, что крайне важно при работах в стесненных условиях.
Кабелеукладчики КВГ по своим техническим возможностям не уступают зарубежным аналогам и имеют вибратор трехвальный, двухкамерный, одна из камер которого содержит одноступенчатый понижающий редуктор и приводные шестерни дебалансов, а другая - дебалансы, обеспечивающие необходимое возмущающее усилие. Рабочий орган устанавливается непосредственно на корпус вибратора, поэтому колебательная масса минимальна, что повышает амплитуду вибрации и, соответственно, аффект разработки грунта. Дополнительный тяговой машиной является трактор Т-170МБГ, оборудованный тем же, что и кабелеукладчик, ходоуменьшителем, или специально оборудованный бульдозер.
Для предотвращения превышения допустимых нагрузок на ОК при его прокладке необходимо обеспечить: - принудительное вращение барабана в момент начала движения кабелеукладчика и синхронизированную его размотку;
- ограничение боковых давлений на кабель за счет применения различного рода мероприятий и конструкций, снижающих трение;
- допускаемый радиус изгиба ОК от барабана до укладки на дно щели на всем участке подачи кабеля через кассету;
- исключение случаев засорения кассеты кабелеукладочного ножа и остановок вращения барабана при движении кабелеукладчика.
2.Прокладка в защитной пластмассовой трубе с задувкой
Способ прокладки ОК с использованием защитного трубопровода весьма эффективен в тех случаях, когда на трассе имеются многочисленные преграды, расположенные близко друг от друга, затруднен доступ, а также в грунтах с твердыми включениями и в районах с повышенным влиянием внешних электромагнитных полей (районах повышенной грозодеятельности, сближения с ЛЭП, с электрифицированными железными дорогами и т. д.), где ОК с металлическими элементами могут повреждаться в результате действия наводимых на этих элементах токов и напряжений. Одним из способов защиты ОК является применение защитного трубопровода.
Защитная полиэтиленовая труба (ЗПТ) - современная альтернатива традиционной асбестоцементной трубе кабельной канализации. ЗПТ может быть использована как для увеличения емкости традиционной кабельной канализации с одновременным приданием ей новых характеристик (путем прокладки ее в каналы существующей кабельной канализации), так и для прокладки непосредственно в грунт, фактически выполняя функции междугородной кабельной канализации. ЗПТ представляет собой трубу 25-63 мм (строительная длина в среднем 2 км) из полиэтилена высокой плотности с имеющимся на внутренней поверхности антифрикционным покрытием, что обеспечивает снижение коэффициента трения примерно вдвое по сравнению с поверхностью из обычных композиций полиэтилена, нормируемый срок службы ЗПТ составляет не менее 50 лет. Прокладка ЗПТ осуществляется по обычной технологии прокладки кабелей связи (кабелеукладчиками, в траншею, затягиванием в каналы существующей кабельной канализации). Применение ЗПТ при сооружении волоконнооптических линий передачи позволяет, однократно выполнив прокладку нескольких каналов ЗПТ, эффективно затем ее использовать, проводя последующую прокладку оптического кабеля в резервные каналы ЗПТ или же производя по мере необходимости замену оптического кабеля без необходимости проведения земляных работ. Прокладка оптического кабеля в ЗПТ, как правило, осуществляется методом пневмопрокладки с использованием специализированного оборудования, обеспечивающим возможность "задувки" в ЗПТ максимальных строительных длин оптического кабеля (величиной 4…6 км), без необходимости их разрезания и перемотки на участках пересечения с подземными сооружениями.
3.Подвеска ОК на ЛЭП или контактной сети железной дороги
Требования к сооружениям и технологии подвески ОК на несущих тросах по столбам и стоечным опорам на крышах зданий, а также к самонесущим кабелям не отличаются от установленных требований для электрических кабелей связи. Для воздушной подвески используют ОК, предназначенные для прокладки в земле, которые прикрепляются к имеющимся воздушным линиям связи тросом, либо ОК с самонесущим тросом. При подвеске следует учитывать прочность ОК при растяжении, длину пролета, стрелу провеса, механическую нагрузку (статическую и динамическую), колебания температуры, конструкцию опоры, способ натяжения ОК, конструкцию крепления к несущему тросу (если трос не встроен в кабель), защиту от грызунов, заземление, величину натяжения ОК при прокладке, способ выравнивания стрелы провеса, изменение натяжения ОК.
Исходя из вышесказанного и учитывая выбранную трассу (трасса проходит вдоль автомагистрали), выбираем метод прокладки кабеля в защитной пластмассовой трубе с задувкой. Для задувки кабелей в ЗПТ используются воздушные компрессоры, устройства подачи кабеля в трубы и устройства перемотки кабелей. В таблице 1 указан перечень машин и механизмов для выполнения этих технологических операций.
Таблица. Машины и механизмы для задувки строительной длины оптического кабеля в три секции
Определим (приближенно, по графику для кабеля ОКЛБ-01) механические усилия при прокладке ЗПТ кабелеукладчиком типа КНВ в грунт, используя приведенную в справочнике графическую зависимость величины натяжения ОК на выходе из кассеты кабелеукладчика от скорости прокладки кабеля, диаметра кабельных барабанов, строительной длины и типа кабеля. Считая скорость равной 1 км/ч, диаметр (номер) кабельного барабана № 18, получаем Р ? 3.2 КН. Ниже в таблицах представлены технические характеристики ЗПТ ЗАО НПО «Стройполимер», откуда видим, что рассчитанные механические усилия не превышают допустимых норм:
2.Исходя из данных, представленных на сайте http://www.simbexpert.ru/?snips/snip/44553/ («Руководство по защите оптических кабелей от ударов молний»), выбранный при проектировании кабель ОКЛБ-01 обладает IV категорией молниестойкости.
3. Определим вероятное число повреждений ОК с металлическими элементами в конструкции n по таблице 6 Руководства при указанном в задании удельном сопротивлении грунта и по категории молниестойкости:
q=3.6 n=0.344
4.Сравним полученную величину n1 с нормой допустимого числа повреждений магистральных кабелей от ударов молнии n0 = 0.1: 600>500 Ом*м в 1.2 раз 5. Т.к. n1<n0 то необходимости в обеспечении дополнительной грозозащите нет.
Вывод
В курсовой работе были представлены основные этапы проектирования волоконнооптической линии связи между городами Волгоград и Саратов: расчет нагрузки, выбор системы передачи, трассы передачи, типа кабеля, метода прокладки, расчет параметров кабеля, длины регенерационного участка, а также упрощенный расчет грозозащиты для выбранного кабеля. Курсовая работа позволяет получить представление о порядке выполнения подобных проектов.
В нашей стране еще в 1993 году было принято решение использовать только волоконнооптические кабели на магистральных линиях связи, в 1996 - на внутризоновых. В настоящее время ВОЛС активно используются и на локальных компьютерных сетях, в сетях кабельного телевидения. Таким образом, навыки расчета ВОЛС являются необходимыми для качественного выполнения современных проектов в отрасли связи.
Список литературы
1.И.И. Гроднев, А.Г. Мурадян, Р.М. Шарафутдинов и др. «Волоконнооптические системы передачи и кабели: Справочник» - М.: Радио и связь, 1993. - 264 с.: ил.
2.В.А. Андреев, В.А. Бурдин, Б.В. Попов, А.И. Польников; Под ред. Б.В. Попова «Строительство и техническая эксплуатация волоконнооптических линий связи» - М.: Радио и связь, 1995. - 200 с.: ил.
3.И.И. Гроднев, Н.Д. Курбатов «Линии связи: Учебник для вузов». - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Связь, 1980. - 440 с.: ил.
