Проектирование высокоскоростной волоконно-оптической линии связи на участке Ярославль-Кострома.

Введение

Современные информационно-телекоммуникационные сети представляют собой транспортные сети, которые предназначены для передачи мультисервисного трафика между узлами сетей доступа. Транспортные сети представляют собой совокупность систем передачи, кабелей связи, систем телеконтроля, телеуправления [2].
В зависимости от назначения, транспортные сети могут строиться как на медных, оптических, так и на радиорелейных/спутниковых линиях связи. Для реализации высокоскоростных волоконно-оптических линий связи, применяют технологии:
 PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy, плезиохронная цифровая иерархия);
 SDH (Synchronous Digital Hierarchy, синхронная цифровая иерархия);
 WDM (Wavelength Division Multiplexing, волновое спектральное мультиплексирование).

1 Обзор структур и способов построения волоконно-оптической линии связи
1.1 Обзор структур волоконно-оптической линии связи
При организации любой схемы организации связи кроме линейного тракта необходимо учитывать построение оконечного оборудования, а именно какую технологию целесообразнее применить.
По волоконно-оптическим линиям связи работают плезиохронные (ПЦИ) и синхронные (СЦИ) системы передачи, а также системы волнового уплотнения (WDM).

ВОСП СЦИ имеют ряд преимуществ по сравнению с ВОСП ПЦИ.
1 Синхронная передача и синхронный способ мультиплексирования.
2 Основная нагрузка SDH – это потоки РDH (Е1, Е3, Е4), что позволяет существенно улучшить управляемость и эффективность этих сетей.
3 Встроенная система оперативного переключения улучшает производительность и надежность сети, позволяет осуществлять кросс-коммутацию потоков на различных уровнях, а также ускоряет процедуры восстановления сети в аварийных ситуациях.
4 Высокая надежность и самовосстанавливаемость сети (для кольцевой топологии) с использованием автоматического переключения на резервирование.
5 Простота перехода с одного уровня SDH на другой за счет кратности скоростей передачи в N раз, поэтому при мультиплексировании не требуется формирования нового цикла.
6 Гибкая структура цикла позволяет наращивать пропускную способность системы.
7 Прозрачность сети SDH для передачи любого трафика.
8 Возможность прямого преобразования электрического сигнала в оптический без сложного линейного кодирования. Управление за счет контроля количества ошибок на регенерационных (RS) и мультиплексорных (MS) секциях.
9 Высокий уровень стандартизации SDH технологий и стандартизованный линейный код NRZ обеспечивают совместимость мультиплексного и линейного оборудования разных фирм – изготовителей.
10 Сигнал SТМ содержит стандартные сигналы контроля и управления, поэтому нет необходимости в отдельной сети управления, можно сосредоточить в одном узле.
11 Предоставление различных услуг, обеспечиваемое гибкими элементами сети и эффективным управлением сетью.
12 Управление функциями передачи, резервирования, оперативного переключения, ввода/вывода и контроля осуществляется программно и дистанционно по каналам, встроенным в цикл STM, полная автоматизация процессов эксплуатации сети SDH, радикально повышает её гибкость и надежность, а также качество связи [18].
Оптические сети могут работать по различным топологиям. Существуют несколько видов базовых топологий.
1.2 Способы построения волоконно-оптической линии связи
В настоящее время существует несколько способов прокладки волоконно-оптического кабеля. У каждого из способов есть свои достоинства и недостатки и отличаются между собой способами и условиями проведения работ. При различных способах прокладки используются различные типы оптического кабеля. Основными способами являются:
 прокладка кабеля в грунт. Данный способ осуществляется «ручным» способом в траншею, или бестраншейным способом, с помощью ножевых кабелеукладчиков, или в полиэтиленовых трубах.
 прокладка в кабельной канализации. Выполняется в канале кабельной канализации или по защитным трубам.
 подвес кабеля с силовым элементом на опорах (линий электропередачи, освещения, городского транспорта, ЖД транспорта и т. д.);
 прокладка внутри зданий и помещений (внутриобъектовая прокладка);
 прокладка через водные преграды.
Наиболее распространенным способом прокладки ВОЛС при отсутствии кабельной канализации является прокладка волоконно-оптического кабеля в грунт. Но следует отметить, что этот способ является более дорогим, чем воздушный способ прокладки кабеля и занимает больше времени, но более надежным при этом.
Прокладка волоконно-оптического кабеля осуществляется в грунтах всех категорий, кроме грунтов, подверженных мерзлотным деформациям.
2 Анализ поставленной задачи

Для того чтобы правильно спроектировать ВОЛС, необходимо учитывать такие параметры, как:
 географическое расположение заданных оконечных пунктов;
 количество абонентов в заданных населенных пунктах;
 экономическую целесообразность и необходимость данного проекта.
Ярославль – город в России, административный центр Ярославской области. Население – 570 824 чел. (2023). Ярославль –третий по величине населения город Центрального Федерального округа РФ. Город является транспортным узлом, из которого расходятся железнодорожные линии и автодороги в направлении Москвы, Вологды, Рыбинска, Костромы, Иванова и Кирова. В Ярославле действуют также речной порт и аэропорт. Площадь города составляет 205 км².

2.1 Анализ района прокладки волоконно-оптической линии связи

2.1.1 Геолого-географическое описание проекта

Ярославль расположен в центральной части Восточно-Европейской равнины на обоих берегах Волги при впадении в неё реки Которосли; в 282 километрах к северо-востоку от Москвы. Город занимает площадь в 205,37 км².
Самая высокая точка – возвышенность Тархов холм на севере Переславского района – 294 м над уровнем моря, самая низкая – река Волга на границе с Костромской областью. Рельеф преимущественно равнинный или слегка холмистый. Возвышенности тянутся в направлении с юго-запада на северо-восток.
Граничит область с Тверской областью на западе, Вологодской на севере, Московской на юго-западе, Ивановской на юго-востоке, Владимирской на юге, Костромской на востоке.
Климат в городе Ярославль умеренно-континентальный. Смягчающее влияние Атлантического океана обеспечивает сравнительно небольшое колебание сезонных температур. Лето в Ярославской области довольно теплое, зачастую влажное. Пик жары, как правило, приходится на июль, когда температура может достигать 30 и более градусов. Но обилие рек и частые дожди с грозами эффективно смягчают слишком жаркие дни. Поэтому в обычные годы средняя температура летом колеблется около18-25 градусов.

2.1.2 Выбор и характеристика трассы

При выборе оптимального варианта трассы прокладки волоконно-оптического кабеля (ВОК) исходят из того, что линейные сооружения являются наиболее дорогой и сложной частью сети связи, поэтому при проектировании особое внимание должно быть обращено на уменьшение удельного веса расходов по строительству и эксплуатации линий связи, эффективную и надежную ее работу.
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; удобство обслуживания.
Для обеспечения первого требования учитывают 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.

3 Разработка схемы организации связи

Проектом предусмотрено использование схемы подключения – топологии «точка-точка» (см. п.1.1.1), так как необходима организация канала связи между двумя оконечными пунктами.
Топология «точка-точка» строится на мультиплексорах ввода–вывода (ADM). Мультиплексоры содержат основные платы:
1) агрегатные платы – STM-4;
2) трибутарные платы – VC-12, VC-3;
3) плата управления – Q;
4) плата GEthernet.
Агрегатные платы необходимы для подключения линейного тракта, трибутарные платы – для подключения потоков (Е1, Е3), интерфейс (Q) – для подключения системы управления, которая контролирует состояние сети, трафик, производит оценку состояния всех элементов сети переключений.

4 Расчет параметров волоконно-оптической линии связи
4.1 Расчет необходимого числа каналов
Все расчеты выполнены на основании методических указаний [1].
Число каналов, связывающих заданные города, 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 (2021 год последние сведения). Количество населения в заданном пункте и его подчиненных окрестностях с учетом среднего прироста населения определяется по формуле

4.3.3 Расчет коэффициента затухания в ОК
При распространении оптического сигнала внутри волокна происходит его экспоненциальное затухание, вызываемое потерей мощности и обусловленное различными линейными и нелинейными механизмами взаимодействия световых волн/частиц со средой волокна.

4.2 Расчет надежности волоконно-оптической линии передачи

Под надежностью линейно-кабельных сетей понимают свойство линейных сооружений в течение заданного времени сохранять в установленных пределах заданные технические параметры. Таким образом, надежность связана с повреждаемостью и ремонтопригодностью элементов линейно-кабельных сетей, а также уровнем технического обслуживания.
В процессе эксплуатации линейно-кабельных сетей важнейшее значение имеет параметр готовность - то есть работоспособность линейно-кабельных сетей в любой произвольный момент времени, которая определяется как частностью повреждений линейно-кабельных сетей, так и временем восстановления. Частость повреждений называется плотностью повреждений (отказов).
Надежность – это комплексное свойство, которое в зависимости от условий строительства и эксплуатации, может включать долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость. Надежность ОК – свойство сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения.
При проектировании должна быть произведена оценка показателей надежности.
Коэффициент готовности кабеля (ВОЛС) – вероятность того, что кабель (ВОЛС) окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых он подвергается профилактическому контролю.
Наработка на отказ – среднее значение времени наработки между двумя последовательными отказами.
Время восстановления ОК – продолжительность восстановления работоспособности состояния двух или нескольких ОВ.
Расчет надежности проектируемой ВОЛП производится на основе среднестатистических значений интенсивности отказов λс и времени восстановления связи Тв, полученных из опыта эксплуатации кабельных линий аналогичных проектируемой.
5 Выбор оборудования и кабеля волоконно-оптической линии связи
5.1 Выбор системы передачи

При выборе мультиплексора SDH, необходимо обратить внимание на расчет уровня потока STM, тип резервирования, вид и количество мультиплексируемых каналов данным. На российском рынке телекоммуникационного оборудование присутствует большое разнообразие мультиплексоров SDH как отечественного, так иностранного производства. Так, в качестве оборудования SDH уровня SТМ-4 можно применит такие мультиплексоры как:
1) мультиплексор 1655AMU производства фирмы Alcatel-Lucent;
2) мультиплексор OptiX OSN 500 производства компании Huawei Technologies;
3) мультиплексор FG-FOM-MS-16 производства компании НАТЕКС.
Для выбора мультиплексора требуется произвести сравнительный анализ оборудования. Для начала требуется провести описание этих мультиплексоров.
Модульный мультиплексор 1655AMU с емкостью до 10Гбайт на слот с поддержкой Gigabit Ethernet over SDH и защитой матрицы кроссконнектов и трибутарных плат представлен на рисунке 5.1 [8].
Мультиплексор 1655AMU относят к мультисервисной платформе, предназначенной для мультиплексирования стандартных цифровых потоков PDH, SDH и Ethernet до цифрового потока STM-16. Данную задачу выполняют слоты STM.
Система OptiXOSN 500 построена на основе архитектуры «универсального коммутатора». Это означает, что данный тип мультиплексора может использоваться как в пакетном, так и в режиме TDM. Оборудование OptiXOSN 500 поддерживает различные сетевые варианты, например, «чисто пакетный» режим или гибридный сетевой режим (наложение в сети пакетного режима и режима TDM), а также режим TDM.
Благодаря выбору соответствующего сетевого решения обеспечивается оптимальное предоставление услуг передачи данных и традиционных услуг SDH.

5.2 Выбор кабеля

При выборе волоконно-оптического кабеля следует руководствоваться техническими указаниями, проектными решениями, а именно:
1) способом прокладки кабеля – в работе проектируемый ОК планируется прокладывать в грунт;
2) какой тип оптических волокон следует применить – согласно выбранного оборудования FG-FOM-MS-16 производства компании НАТЕКС, в работе требуется применить ОК с одномодовыми волокнами рекомендации ITU-T G.652;
3) какова емкость оптического кабеля – при выборе количества волокон в ОК, следует учесть то, что кабель является магистральным, следует учесть двустороннюю связь и резерв, то есть для организации связи требуется четыре волокна, также следует заложить дополнительный резерв волокно на развитие и сдачи волокон в аренду, таким образом, в донной работе можно применить ОК емкостью 8 волокон.
На рынке оптоволоконной кабельной продукции можно выделить несколько ведущих производителей оптических кабелей в России. К таким компаниям можно отнести: - компания ООО «Интегра Кабельные Системы»; - компания ООО «Инкаб», - компания ЗАО «Самарская оптическая кабельная компания».
6 Организация прокладки кабеля

Организация ВОЛС на участках между городами Ярославль и Кострома выполняется комбинированным способом, а именно путем прокладки ОК в грунт, через водные препятствия и автодороги.
Прокладка ОК в грунт осуществляется при температуре окружающего воздуха не ниже минус 10°С. Кабель прокладывают в грунтах всех категорий, кроме подверженных мерзлотным деформациям, в воде при пересечении неглубоких болот, несудоходных и не сплавных рек со спокойным течением (с обязательным заглублением).
Трасса прокладки кабеля должна быть точно привязана к местным условиям, для того чтобы обеспечить быстрое отыскание кабеля при его повреждениях в процессе эксплуатации. Привязка должна осуществляться через каждые
100 метров.
Прокладку ОК осуществляют комплексные механизированные колонны, в состав которых входят строительные машины и механизмы общестроительного назначения (тракторы, бульдозеры). Полоса земли необходимая для работы колонны составляет шесть метров.

6.1 Охрана труда и техника безопасности

6.1.1 Общие сведения
В процессе строительства волоконно-оптической линии связи проводятся следующие работы:
1 земляные работы;
2 погрузочно-разгрузочные работы;
3 работы с машинами и механизмами;
4 работы с электроинструментом.
Во время вышеперечисленных работ необходимо учитывать возможность возникновения следующих вредных факторов:
 ситуаций, ведущих к травматизму при работе с машинами и механизмами;
 наличия угарных газов в траншеях и котлованах;
 наличия взрывоопасных газов в местах разработки грунтов;
 попадания частиц оптоволокна на кожу;
 поражения электрическим током при работе с электроинструментом.
6.1.2 Техника безопасности при прокладке оптического кабеля в грунт кабелеукладчиком
 
Заключение

В дипломном проекте в соответствии с заданием была спроектирована трасса кабельной линии связи на участке между городами Ярославль – Кострома. Трасса проходит вдоль автомобильных дорог.