Схема организации связи на базе технологии плотного волнового мультиплексирования (DWDM) для участка Москва–Казань

• Содержание
• Введение
• 1. Разработка технических требований к проектируемой сети
• 1.1 Задание на проектирование
• 1.2 Анализ исходных данных проектируемого участка сети связи
• 1.3Спецификация действующего участка сети Москва-Казань
• 1.4 Основные принципы технологии плотного волнового мультиплексирования
• 1.5 Технические требования к сети DWDM
• 1.6 Преимущества и недостатки технологии DWDM
• 2. Обоснование выбора волоконно-оптических линий связи
• 2.1 Преимущества и недостатки волоконно-оптических линий связи
• 2.2 Одномодовое и многомодовое волокно
• 2.3 Методы увеличения пропускной способности волокна
• 2.4 Способы прокладки оптического кабеля
• 3. Анализ и выбор оборудования DWDM
• 3.1 Обзор фирм, выпускающих оборудование DWDM.
• 3.2 Выбор оборудования DWDM
• 3.3 Выбор системы управления
• 4. Разработка принципиальной и структурной схемы для разрабатываемого участка сети DWDM Москва — Казань
• 4.1 Разработка схемы маршрута основного и резервного направления проектируемого участка сети
• 4.2 Разработка структурной схемы основного и резервного направлений проектируемого участка сети
• 4.3 Схема организации каналов связи на проектируемом участке сети
• 5. Энергетический расчет волоконно-оптической линии связи
• 5.1 Расчёт показателей надёжности
• 5.2 Расчет линии связи по затуханию
• 7.3. Расчет линии связи по дисперсии
• 6. Информационная безопасность
• 7. Экономическая эффективность инвестиций
• 7.1 Расчет объема капитальных вложений
• 7.2 Определение объема услуг и доходов от основной деятельности
• Заключение
• Список используемой литературы

С момента изобретения телефона в 1875 году, ставшего отправной точкой в развитии телефонной связи, методов и технологий передачи голоса, прошло сто лет прежде чем в 1975 году появился первый микрокомпьютер. Все это время системы связи были аналоговыми (в мире практически вплоть до середины 60-х, в России до середины 70-х годов). До этого цифровых систем связи практически не было, несмотря на то, что импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) была известна с 1937 года, в специализированные цифровые компьютеры — с 1939 года. Импульсные методы модуляции интенсивно развивались с начала 40-х в связи с развитием радиолокации, однако ИКМ не находила широкого практического применения ввиду громоздкости цифрового оборудования, вплоть до появления в 1959 году компьютеров второго поколения, использующих транзисторы в качестве элементной базы.

Начало использования цифровых технологий в сетях передачи данных было связано с ИКМ, а именно с системами цифровой телефонии на основе кабельных (медных) сетей связи, применяемых для передачи голоса.

Первой коммерческой цифровой системой передачи голоса, использующей ИКМ и методы мультиплексирования с временным разделением каналов (TDM), считают систему компании BellSystem (США), установленную в Чикаго в 1962 году. Система давала возможность передавать 24 голосовых канала по медному кабелю, проложенному между офисами компании BellSystem. Каждый голосовой канал использовал скорость передачи 64 кбит/с, а все каналы объединялись с помощью мультиплексора в единый поток двоичных данных со скоростью 1536 кбит/с (с учетом служебного канала 8 кбит/с он приобретал скорость 1544 кбит/с).

Стремительное развитие микропроцессорной техники и технологии, зародившейся в 1971 году с появлением первого микропроцессора компании Intel, сделало возможным реальное внедрение цифровой техники в системы связи (телекоммуникационные системы) и привело к широкому распространению и развитию компьютерных сетей, давших вторичный мощный импульс развитию сетей передачи голоса и данных на основе ИКМ.

Сетевые компьютерные технологии, разработанные первоначально на основе ЭВМ общего назначения, или мэйнфреймов, вот уже около 20 лет применяются для объединения в сеть персональных компьютеров. Широко использование сетевых технологий для создания LAN стало доступно только тогда, когда производительность и функциональные возможности микропроцессоров выросли настолько, что смогли удовлетворить высоким требованиям по управлению сетью связи.

Сетевые цифровые технологии развивались до последнего времени параллельно для глобальных и локальных сетей. Технологии глобальных сетей были направлены в основном на развитие цифровых телефонных сетей, используемых для передачи голоса. Технологии локальных сетей — напротив, использовались, в основном, для передачи данных. Развитие цифровых телефонных сетей шло по линии уплотнения каналов как за счет мультиплексирования низкоскоростных первичных каналов T1, так и за счет использования более рациональных методов модуляции, например, использования дифференциальной ИКМ и ее модификаций, позволивших применять для передачи голосового сигнала более низкие чем 64 кбит/с (основной цифровой канал — ОЦК) скорости: 40,32, 24, 16, 8 и 5,6 кбит/с. Развитие схем мультиплексирования привело к возникновению трех цифровых иерархий с разными (для разных групп стран) уровнями стандартизованных скоростей передачи или каналов.

DS2 или T2/E2, DS3 или Т3/Е3, DS4 или Т4/Е4. Эти иерархии, названные плезиохронными (т.е. почти синхронными) цифровыми иерархиями PDH (ПЦИ), широко использовались и продолжают использоваться как в цифровой телефонии, так и для передачи данных.

В 1984 году была разработана технология синхронной цифровой иерархии компанией Bellcore под названием: «Синхронные оптические сети», SONET.

Первый вариант стандарта появился в 1984 году. Затем эта технология была стандартизирована комитетом T1 ANSI. Международная стандартизация технологии проходила под эгидой Европейского института телекоммуникационных стандартов (ETSI) совместно с ANSI и ведущими телекоммуникационными компаниями Америки, Европы и Японии.

Основной целью разработчиков международного стандарта было создание такой технологии, которая позволяла бы передавать трафик всех существующих цифровых каналов (как американских T1-T3, так и европейских E1-E3) в рамках высокоскоростной магистральной сети на волоконно-оптических кабелях и обеспечила бы иерархию скоростей, продолжающую иерархию технологии PDH, до скорости в несколько гигабит в секунду.

В результате длительной работы удалось разработать международный стандарт SynchronousDigitalHierarchy, SDH (спецификации G.707-G.709), а также доработать стандарты SONET таким образом, что аппаратура и стеки SDH и SONET стали совместимыми и могут мультиплексировать входные потоки практически любого стандарта PDH — как американского, так и европейского. В терминологии и начальной скорости технологии SDH и SONET остались расхождения, но это не мешает совместимости аппаратуры разных производителей, а технология SONET/SDH фактически стала считаться единой

В основе данных технологий заложен метод временного разделения информационных потоков (TDM — timedivisionmultiplexing) с формированием синхронных транспортных модулей STM-N (N=1, 4, 16, 64, 256) со скоростями передачи информации соответственно: STM-1 — 155 Мбит/с, STM-4 — 622 Мбит/с, STM-16 — 2,5 Гбит/с, STM-64 — 10 Гбит/с, STM-256 — 40 Гбит/с. Эта технология предусматривает объединение нескольких входных низкоскоростных потоков в один составной высокоскоростной канал (агрегатный поток). Использование технологии TDM позволило увеличить пропускную способность волоконно-оптических линий связи до 10 Гбит/с (STM-64).

Бурное развитие интернета и информационных технологий потребовало внедрения широкополосных систем и, как следствие, модернизации систем TDM. Вначале процесс развития пошел по экстенсивному пути за счет наращивания скорости передачи: STM-1, STM-4, STM-16, STM-64. Однако вскоре выяснилось, что этот путь является тупиковым, прежде всего по техническим соображениям: крайне сложная и дорогая модуляция передающих лазеров, девиация их частоты излучения, уменьшение соотношения сигнал-шум, усиление влияния дисперсии на таких скоростях. Разрешить противоречия помогло свойство оптического волокна: возможность передачи информации на нескольких длинах волн одновременно. С технической точки зрения прорыв был связан с созданием усилителей сигналов на основе оптического волокна, легированного эрбием (EDFA).

Этот новый способ передачи информации по оптическому волокну получил название технология волнового мультиплексирования оптических каналов (wavelength division multiplexing — WDM), или технология спектрального уплотнения каналов. В технологии WDM нет многих ограничений и трудностей, свойственных технологии TDM. Для повышения пропускной способности линии связи вместо увеличения скорости передачи в оптическом канале, как это делается в системах TDM, системы WDM позволяют увеличить число каналов (в данном случае — длин волн), применяемых в системах передачи. При этом в определенных случаях технология WDM позволяет увеличить пропускную способность существующей сети без дорогостоящей замены оптического кабеля.

В России развернуты и полномасштабно функционируют практически в каждом регионе, начиная с 1993 года, десятки крупных сетей SDH. Технология SDH активно осваивается регионами. Использование SDH позволило резко повысить скорость передачи на сети РФ в целом, доведя ее сегодня в отдельных участках до 2,5 Гбит/с, а также потенциально подготовив сеть к внедрению технологии DWDM. Возможности систем DWDM настолько впечатляющи, что позволяют говорить о достижении суммарной пропускной способности в линии связи в одном оптическом волокне на уровне до 10 Тбит/с и выше. Весь вопрос в том, реализуются ли эти перспективы в России?

На основе внедрения современных информационных и телекоммуникационных средств и технологий должны быть достигнуты требуемые показатели надежности и готовности сетей связи. Среди наиболее важных задач хозяйства — повышение уровня сервисного обслуживания клиентов железнодорожного транспорта и конкурентоспособности предоставляемых услуг связи на рынке телекоммуникаций и транспортных услуг, а также достижение финансовой прозрачности хозяйственной деятельности.

По уровням иерархии сеть связи ОАО «РЖД» подразделяется на магистральную и сети связи технологического сегмента. По функциональному назначению — на первичные сети, осуществляющие передачу информации, и вторичные, обеспечивающие специализированные виды услуг, предоставляемых пользователям (сети общетехнологической связи — ОбТС, оперативно-технологической связи — ОТС, сети передачи данных — СПД и др.)

По протяженности волоконно-оптических кабелей сеть ОАО «РЖД» занимает второе место среди всех сетей России, уступая только холдингу «Связьинвест». Однако при этом имеется более 20 тыс. км воздушных линий, что составляет 9% общей протяженности сети; из них более 13 тыс. км не дублировано кабельными линиями. Действует более 84 тыс. км линий кабелей с медными жилами, что составляет 48% общей протяженности сети. Еще используются аналоговые радиорелейные линии на 7 тыс. км.

Таким образом, около 65% сети приходится на малоэффективные линии, находящиеся в эксплуатации несколько десятков лет, подверженные различным внешним влияниям, оснащенные устаревшей аналоговой техникой со слабо развитыми системами контроля и управления. Значительная часть всех линий (45%) нуждается в реконструкции.

Проведенный технический аудит и анализ полученных результатов дали информационную базу для выработки предложений по развитию хозяйства связи на период до 2030 г. На предыдущих этапах развития хозяйства связи зачастую были реализованы неудачные или неоптимальные решения. В результате мы имеем низкий уровень унификации из-за использования разнотипного оборудования. Прежде всего, это относится к первичной сети связи дорожного уровня и к вторичным сетям оперативно-технологической связи.

Наличие отдельных (выделенных), как правило, не связанных между собой вторичных сетей, в частности ОбТС, ОТС и др., не позволяет использовать ресурсы одной сети в интересах другой. Применение специализированной аппаратуры связи, разработанной специально и исключительно для железнодорожного транспорта, обусловливает монополизм поставщика оборудования. В существующих сетях невозможна полная реализация ряда систем сетевой поддержки, таких как системы синхронизации и управления сетями связи. Все это существенно усложняет процесс эксплуатации и увеличивает расходы на нее.

Модернизация и дальнейшее развитие технологической сети связи ОАО «РЖД» должно идти по пути планомерной замены линий металлического кабеля оптическими линиями связи. Из эксплуатации необходимо выводить оборудование с истекшим сроком амортизации. Предстоит заменить и существующее цифровое оборудование, которое к настоящему времени морально устарело или не отвечает требованиям международных и отечественных стандартов. Необходимо ликвидировать аналоговый сегмент сети, провести модернизацию существующей цифровой сети, продолжить развитие за счет использования перспективных телекоммуникационных технологий.

Сейчас развивать магистральную сеть на основе оборудования систем передачи на уровне STM-1 (155 Мбит/с) нецелесообразно. Необходимо внедрять на всей сети масштабируемые системы передачи уровня не ниже STM-64. Для разгрузки сети SDH на основном направлении увеличения трафика «Запад — Восток» предстоит построить магистральную сеть DWDM с использованием свободных оптических волокон магистрального волоконно-оптического кабеля, в случае его отсутствия — проложить новый.

1. Разработка технических требований к проектируемой сети

1.1 Задание на проектирование

Задачей данного дипломного проекта является решение инженерно-технических вопросов создания сети DWDM на действующей магистральной цифровой сети связи (МЦСС) ОАО «РЖД», а также расчет качества передачи цифровых потоков в технологии DWDM.

Для проектирования был выбран участок Москва — Казань Московской, Горьковской железных дорог, так как именно здесь наблюдается высокая потребность в предоставлении услуг цифровой связи.

При проектировании сеть DWDM на участке магистральной цифровой сети от Москвы до станции Казань разворачивается по двум географически разнесенным маршрутам: Москва — Арзамас — Казань (основной маршрут) и Москва — Рязань — Казань (резервный маршрут). Соединение участков резервирования сети SDH планируется осуществить на станции Казань и в Москве, для этого используются механизмы выбора наиболее рационального пути прохождения (по основному или резервному тракту) оптического сигнала на электронном уровне. В данном проекте рассматривается отрезок основного маршрута: Москва — Казань.

Основная сетевая система управления размещается в Москве в ГЦУ (главный центр управления) и должна иметь три рабочих места оператора с возможностью конфигурирования и три с возможностью мониторинга. Резервная сетевая система управления на этом этапе отсутствует. Также необходимо, чтобы были организованы рабочие места операторов системы управления с возможностью мониторинга на станции Казань.

Топология сети DWDM размещается на действующей физической инфраструктуре волоконно-оптических кабелей магистральной цифровой сети связи. Для организации работы сетевого оборудования используется по 2 волокна в рабочем и резервном оптических кабелей, которые используются для передачи и приема оптических сигналов. Рабочие и резервные кабели физически разнесены и проходят по разным маршрутам. При строительстве сети DWDM совместно используется оборудование DWDM и SDH. Оборудование DWDM применяется для передачи магистрального группового сигнала на большие расстояния, а оборудование SDH используется для привязки существующей сети SDH ЗАО «Компания ТрансТелеКом» к сети DWDM.

В связи с большим объемом работ и их продолжительности в данной дипломной работе будут рассмотрены вопросы возможности внедрения технологии волнового уплотнения (DWDM) на действующем участке магистральной цифровой сети Москва — Казань.

1.2 Анализ исходных данных проектируемого участка сети связи

Учитывая, жесткую конкуренцию по предоставлению услуг по передаче информации на участке Москва — Казань и чрезмерную загруженность существующей сети SDH (от 75% и более), появилась острая необходимость в увеличении пропускной способности существующей волоконно-оптической линии связи, построенной преимущественно на кабеле со стандартным оптическим волокном (G.652). Решить этот вопрос можно тремя способами:

· дополнительная прокладка волоконно-оптического кабеля;

· переход к усовершенствованной аппаратуре временного мультиплексирования TDM;

· применение технологии плотного волнового мультиплексирования.

Первый способ до недавнего времени являлся стандартным для многих операторов связи, испытывающих необходимость в увеличении пропускной способности каналов связи. Как правило, прокладка нового кабеля оправдывается только при небольших расстояниях и если она не сопряжена с трудностями. Но даже в таком случае оператор вряд ли сможет предоставить новые сервисы и утилизировать полосу пропускания в достаточной степени. Это может показаться неожиданным, но установленное сегодня оборудование TDM использует менее 1% возможностей оптического волокна. В большинстве случаев такое решение оказывается непрактичным или даже невозможным.

Реализация второго варианта в сетях дальней связи SDH тоже связана с рядом трудностей. До недавнего времени в таких сетях самым быстрым был канал STM-64 (скорость передачи информации 10 Гбит/с). Затем началось внедрение аппаратуры уровня STM-256, обеспечивающей производительность 40 Гбит/с. Однако здесь возникает целый ряд проблем. Дело в том, что большая часть инсталлированной базы кабелей использует одномодовое оптическое волокно, для которого дисперсия в окне прозрачности 1550 нм оказывается слишком высокой. В результате для эффективной передачи необходимо прокладывать либо отрезки кабеля с дисперсией противоположного знака, либо полностью новое волокно со смещенной ненулевой дисперсией (Non-Zero Dispersion Shifted Fiber — NZDSF). Кроме этого, увеличение скорости передачи приводит к высокой плотности потока излучения на достаточно протяженных участках. Это, в свою очередь, вызывает нелинейные оптические эффекты. Вот далеко не полный перечень ограничений при переходе к высоким скоростям. Поэтому при таком подходе оператор вынужден протестировать буквально каждый канал на его совместимость с аппаратурой уровня сигнала STM-64 и STM-256.

Теперь рассмотрим третий вариант — технологию DWDM, позволяющую заметно повысить эффективность использования суммарной пропускной способности оптических волокон.

Технология плотного волнового мультиплексирования (Dense Wave Division Multiplexing, DWDM) предназначена для создания оптических магистралей нового поколения, работающих на гигабитных и терабитных скоростях. Такой качественный скачок производительности обеспечивает принципиально иной, нежели у SDH, метод мультиплексирования — информация в оптическом волокне передается одновременно большим количеством световых волн. Каждая волна несет собственную информацию, при этом для оборудования DWDM неважно, каким способом она кодируется, и какие протоколы используются для передачи данных — устройства DWDM занимаются только объединением различных волн в одном световом пучке, а также выделением из общего сигнала.

Благодаря технологии DWDM можно многократно увеличить пропускную способность волоконно-оптических линий связи, не прокладывая новые кабели и не устанавливая на каждое волокно новое оборудования. Кроме громадного увеличения пропускной способности, обеспечиваемого при создании волоконно-оптических сетей, оптический уровень является для телекоммуникационных компаний единственным способом объединения различных технологий, применяемых в их уже существующих сетях, в одну реальную инфраструктуру. Технология плотного волнового мультиплексирования даст компаниям, предоставляющим услуги связи и передачи данных, возможность максимально использовать уже имеющуюся у них инфраструктуру и обеспечить возможность полного удовлетворения роста потребностей в скорости передачи информации.

На сегодняшний день рекомендациями ITU-T вся область «прозрачности» кварцевых волоконных световодов разделена на ряд диапазонов, которые представлены на рисунке 1.1 и приведены в таблице 1.1. Изначально под «окнами прозрачности» понимались участки длин волн вблизи узких локальных минимумов в зависимости потерь от длины волны: 850 нм (1-е), 1310 нм (2-е), 1550 нм (3-е). Постепенно с развитием технологии очистки кварцевого стекла стала доступна вся область малых потерь от 1260 нм до 1675 нм.

Наиболее оптимальной для практического применения рекомендована область С. У большинства ведущих производителей имеется DWDM-оборудование, которое позволяет мультиплексировать в С-диапазоне (1530−1565 нм) до 40 оптических каналов при ширине одного канала 100 ГГц или до 80 оптических каналов при его ширине 50 ГГц. В этом случае максимальная ёмкость одного оптического канала составляет 10 Гбит/с (уровень STM-64). В диапазоне L (1570−1625 нм) максимальное число оптических каналов может достигать 160 при ширине канала 50 ГГц.

Таблица 1.1 Спектральные диапазоны длин волн для одномодовых оптических волокон

Рисунок 1.1 — Основные «окна прозрачности» для кварцевых световодов.

При использовании DWDM-оборудования на 160 каналов одновременно в диапазонах C и L (C + L) возникают определенные требования к оптическим кабелям, а именно: затухание в C и L-диапазонах должно быть примерно одинаковым. Значит, необходимо использовать оптический кабель с симметричными в этих диапазонах характеристиками по затуханию. Такие кабели разработаны сравнительно недавно. В подавляющем же большинстве случаев операторы используют кабели с несимметричными характеристиками в C и L-диапазонах. Так, для кабелей, соответствующих требованиям рекомендации G.652, разница затухания в указанных диапазонах может достигать 0,02 дБ/км, что в пересчете на один усилительный участок дает разницу до 2 дБ. В этом случае для расчетов расположения оборудования необходимо брать наибольшее затухание, что приводит к необходимости чаще устанавливать передающее оборудование и, в конечном счете, увеличит его цену.

В настоящее время на рынке появились принципиально новые, солитоновые DWDM-системы, которые позволяют существенно увеличить пропускную способность каналов и дальность передачи. Основное свойство оптического солитона — возможность распространения оптического импульса без дисперсионного расплывания. Солитон — это модулированный по интенсивности оптический импульс, который за счёт нелинейного взаимодействия между спектральными составляющими поддерживает неизменной форму оптического сигнала по мере его распространения в волокне. В линейных средах спектральные составляющие оптического импульса не взаимодействуют между собой, что приводит к дисперсионному расплыванию сигнала. При учете нелинейного эффекта перераспределения энергии между спектральными составляющими можно избежать дисперсионного расплывания сигнала, распространяющегося вдоль волокна. Данная технология представляется наиболее перспективной для передачи сигнала STM-256 (40 Гбит/с) на большие расстояния. Однако солитоновые технологии накладывают определенные требования на оптические кабели, что может повлечь необходимость их полной замены на существующих сетях.

Увеличение количества передаваемых каналов может выполняться плавно с ростом потребности в объемах передачи информации по существующей волоконно-оптической линии связи. При этом нужен качественный контроль, учет и измерение таких параметров как: обратное отражение, хроматическая и поляризационная модовая дисперсия, нелинейные эффекты, которые до недавнего времени во внимание не принимались. Необходимо также предусмотреть меры для их компенсации или сведению к минимуму. В системах DWDM необходимо уделить особое внимание нелинейным взаимодействиям между каналами системы.

Необходимо отметить, что какие бы проблемы не возникали в технологии плотного волнового мультиплексирования, ни одна из существующих технологий не способна полностью её заменить в настоящий момент. Внедрение технологии спектрального уплотнения на магистральном участке цифровой сети связи Москва — Казань позволит использовать DWDM параллельно с TDM для повышения эффективности последней.

1.3Спецификация действующего участка сети Москва-Казань

В данной главе рассматриваются линейно-кабельные сооружения (ЛКС), а также сетевое оборудование, применяемое на участке Москва — Казань МЦСС ОАО «РЖД». Протяженность данного участка составляет 824 километра.

На направлении Москва — Казань применяются кабели ЗАО «Трансвок» (Калуга, Россия). При этом используется следующая марка кабеля ОКМС-А-6(2,4)Сп-24(2). Строительная длина вышеуказанного кабеля может достигать до 6 километров. Кабель ОКМС магистральный, самонесущий диэлектрический предназначенный для прокладки на опорах контактной сети и линий автоблокировки, железных дорог. Внешний вид кабеля ОКМС представлен на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 — Волоконно-оптический кабель типа ОКМС.

Технические характеристики кабеля ОКМС-А-6(2,4)Сп-24(2):

· защитные покровы — обмотка из арамидных нитей;

· количество оптических/заполняющих модулей — 6 оптических модулей;

· наружный диаметр оптических и заполняющих модулей, мм — (2,4);

· центральный силовой элемент — стеклопластиковый пруток;

· количество оптических волокон одного типа в кабеле — 24;

· тип оптических волокон одного типа — одномодовое оптическое волокно, ITU-T G.652;

· допустимое растягивающее усилие — 8,0 кН.

Данная марка кабеля имеет ряд особенностей: срок службы не менее 25 лет, модульная конструкция, кабель полностью выполнен из диэлектрических материалов, кабель не восприимчив к воздействию электрических полей, наличие высокопрочных защитных покровов центрального силового, возможно изготовление с внешней оболочкой из полиэтилена, не распространяющего горение.

В таблице 1.2 представлены кабельные участки, на которых подвешены кабели ЗАО «Трансвок» и их длины. Также указаны типы оптических волокон, применяемых в этих кабелях. ЗАО «Трансвок» использует волокна фирм Fugi и Corning. Это все стандартные одномодовые оптические волокна, удовлетворяющие рекомендации ITU-TG.652 и G.655, имеющие значение поляризационной модовой дисперсии ПМД 0,10 пс/vкм и стандартное для такого типа волокон значение коэффициента хроматической дисперсии до 18 пс/нм· км. Для примера в таблице 1.3 приведены характеристики волокна CorningSMF28.

Таблица 1.2 Кабельные участки ВОЛС участка Москва — Казань

В настоящее время вдоль железных дорог Российской Федерации действует магистральная волоконно-оптическая сеть связи, которая проходит через 11 часовых поясов и соединяет 71 из 89 регионов России. Общая протяженность сети составляет свыше 45 тысяч км. Магистральная цифровая сеть связи является частью единого комплекса ОАО «РЖД», уже имеет технологические соединения с аналогичными сетями в Финляндии, Литве, Белоруссии, Украине, Казахстане, Монголии и Китае.

Таблица 1.3 Характеристики волокна CorningSMF28

Магистральная цифровая сеть связи (МЦСС) железных дорог страны, обеспечивает базу для управления информационным сопровождением всеми перевозками и технологическими процессами. Основной технологической базой для построения первичной цифровой сети является технология синхронной цифровой иерархии (SDH). Транспортная сеть на участке Москва — Казань построена на основе оптических мультиплексоров ADM 4/1 и ADM 16/1 американской компании Lucent Technologies. Схема расположения оборудования (SDH) приведена на рисунке 1.3.

Станции размещения оборудования мультиплексоров и регенераторов на направлении Москва — Казань, а также их типы приведены в таблице 1.4.

Основой первичной цифровой сети связи на участке Москва — Казань являются мультиплексоры «WaveStarADM 16/1» фирмы Lucent Technologies. «WaveStar ADM 16/1» представляет собой интеллектуальный мультиплексор и систему передачи с высокой пропускной способностью, который может мультиплексировать стандартные скорости PDH и SDH до более высоких уровней, вплоть до 2,5 Гбит/с (STM-16).

Рисунок 1.3 — Схема расположения станций с оборудованием SDH.

Одним из главных достоинств «WaveStar ADM 16/1» является ввод/вывод и гибкая кросс-коммутация потоков 2 Мбит/с непосредственно из STM-16. Кроме того, устройство позволяет подключать потоки 34, 45, 51, 140, 155 и 620 Мбит/с. Поддерживаются механизмы защиты SNCP, MSP, MS-SPRing, DNI. В целях уменьшения затрат времени на установку и тестирование данный мультиплексор может поставляться с заранее выполненными кабельными соединениями.

Таблица 1.4 Размещение оборудования SDH на основном направлении Москва — Казань

Основными достоинствами системы являются:

· гибкость применения;

· высокая пропускная способность по вводу-выводу каналов 2 Мбит/с и STM-1 (504×2 Мбит/с или 32 x STM-1) непосредственно с уровня STM-16;

· простота монтажа и технического обслуживания;

· улучшенные механизмы резервирования, позволяющие использовать современные структуры сетей SDH;

· адаптирована к применению в системах DWDM. Широкие возможности системы передачи SDH «WaveStar ADM 16/1» делают её одним из наиболее экономичных и перспективных сетевых элементов, она может применяться совместно с оборудованием DWDM, которое предполагается устанавливать на участке Москва — Казань Московской, Горьковской железных дорог.

1.4 Основные принципы технологии плотного волнового мультиплексирования

Исторически первыми возникли двухволновые WDM системы, работающие на центральных длинах волн из второго и третьего окон прозрачности кварцевого волокна (1310 и 1550 нм). Главным достоинством таких систем является то, что из-за большого спектрального разноса полностью отсутствует влияние каналов друг на друга. Этот способ позволяет либо удвоить скорость передачи по одному оптическому волокну, либо организовать дуплексную связь.

Современные WDM системы на основе стандартного частотного плана (ITU-T Rec. G.692) можно подразделить на три группы:

— грубые WDM (CoarseWDM — CWDM) системы с частотным разносом каналов не менее 200 ГГц, позволяющие мультиплексировать не более 18 каналов (работают в полосе от 1270нм до 1610нм).

— плотные WDM (DenseWDM — DWDM) системы с разносом каналов не менее 100 ГГц. Плотное спектральное мультиплексирование позволяет одновременно передавать по одному оптическому волокну до 160 независимых информационных каналов на различных оптических несущих (длинах волн).

Частотный план для DWDM систем определяется стандартом ITU G.694.1. Согласно рекомендациям ITU в DWDM системах используются «C» (1525…1565нм) и L" (1570…1610нм) окна прозрачности. В каждый диапазон попадают по 80 каналов с шагом 0.8нм (100ГГц). Обычно используется только «C» диапазон, поскольку количество каналов, которые можно организовать в этом диапазоне итак хватает с избытком, к тому же затухание в волокне стандарта G.652 в С-диапазоне несколько ниже, чем в L-диапазоне.

— высокоплотные WDM (HighDenseWDM — HDWDM) системы с разносом каналов 50 ГГц и менее, позволяющие мультиплексировать не менее 64 каналов.

На рисунке 1.4 изображен диапазон частот, применяемых в системе WDM.

Рисунок 1.4 — Диапазон частот системы WDM.

Традиционные технологии телекоммуникаций позволяют по одному оптическому волокну передать только один сигнал. Суть же технологии спектрального, или оптического уплотнения заключается в возможности организации множества раздельных сигналов по одному волокну, а, следовательно, многократном увеличении пропускной способности линии связи.

Основы этой технологии были заложены в 1958, еще до появления самой волоконной оптики. Однако прошло около 20 лет, прежде чем были созданы первые компоненты мультиплексных систем. Первоначально они создавались для лабораторных исследований, и лишь в 1980 году технология спектрального уплотнения (Wavelength Division Multiplexing, WDM) была предложена для телекоммуникаций. А еще через пять лет в исследовательском центре компании AT&T была реализована технология плотного спектрального уплотнения (Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM), когда удалось в одном оптическом волокне создать 10 каналов по 2 Gbps.

Это происходит подобно тому, как видимый человеческим глазом свет состоит из различных цветов, на которые можно его разложить, а затем опять собрать, так и передаваемый по технологии DWDM световой поток, состоит из различных длин волн (л). На рисунке 1.5 приведён схематичный пример прохождения различных длин волн в одном волокне.

Рисунок 1.5 — Пример прохождения различных длин волн в одном волокне.

То есть по одному волокну можно передавать более сотни стандартных каналов. Принципиальная схема DWDM достаточно проста. Для того чтобы организовать в одном волокне несколько оптических каналов сигналы «окрашивают», то есть меняют оптическую длину волны для каждого такого сигнала. «Окрашенные» сигналы смешиваются при помощи мультиплексора и передаются в оптическую линию. В конечном пункте происходит обратная операция — «окрашенные» сигналы выделяются из группового сигнала и передаются потребителю. Пример процесса объединения/выделения различных оптических сигналов приведен на рисунке 1.6.

Естественно, что для того чтобы передавать по одному волокну множество волновых потоков, технология DWDM обеспечена оборудованием особой точности.

По мере прохождения по оптическому волокну сигнал постепенно затухает. Для того чтобы его усилить, используются оптические усилители. Это позволяет передавать данные на расстояния до 4000 км без перевода оптического сигнала в электрический (для сравнения, в SDH это расстояние не превышает 200 км).

Рисунок 1.6 -Процесс объединения/выделения оптических сигналов.

Упрощенная схема системы с WDM (показан один прямой канал) изображена на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7 Упрощенная схема системы с WDM.

Передающая часть системы принимает n-входных потоков данных (кодированных цифровых импульсных последовательностей с длиной волны несущей лi) от различных источников (для примера на 1-ом канале показан SDH мультиплексор SMUX, на n-ом канале — ATM мультиплексор). Эти потоки обрабатываются соответствующими интерфейсными блоками Инт_i и модулируют несущие (модуляция осуществляется основной полосой) с помощью оптических модуляторов М_i. Модулированные оптические несущие с длиной волн л_i мультиплексируются (объединяются) с помощью мультиплексора WDM M_uxв агрегатный поток на выходе, который после усиления (с помощью бустера или мощного усилителя МУ) подается в волокно.

Приемная часть системы принимает поток с выхода волокна, усиливает его предварительным усилителем ПУ, демультиплексирует, т. е. разделяет на составляющие потоки с несущими, которые детектируются с помощью детекторов Д_i (на их входах могут дополнительно использоваться полосовые фильтры Ф_i для уменьшения переходных помех и увеличения помехоустойчивости детектирования), и, наконец, демодулируются демодуляторами ДМ_i, восстанавливающими на выходе исходные кодированные цифровые импульсные последовательности, подаваемые на вход демультиплексоров соответствующих технологий. Кроме МУ и ПУ в системе могут быть использованы и линейные усилители ЛУ.

Преимущества DWDM очевидны. Эта технология позволяет получить наиболее масштабный и рентабельный способ расширения полосы пропускания волоконно-оптических каналов в сотни раз. Пропускную способность оптических линий на основе систем DWDM можно наращивать, постепенно добавляя по мере развития сети в уже существующее оборудование новые оптические каналы.

1.5 Технические требования к сети DWDM

Топология сети DWDM должна базироваться на существующей физической инфраструктуре волоконно-оптических кабелей магистральной цифровой сети связи ОАО «РЖД».

Рабочие и резервные кабели сети DWDM должны быть физически разнесены и должны проходить по разным маршрутам: Москва — Арзамас — Казань — основное рабочее направление и Москва — Нижний Новгород — Казань — резервное направление.

В волоконно-оптических кабелях рабочего и резервного направлений должны использоваться по два оптических волокна (прием и передача оптических сигналов).

В сети DWDM должно совместно использоваться оборудование SDH и DWDM. Оборудование DWDM используется для передачи магистрального трафика на большие расстояния с использованием топологии «точка-точка», а оборудование SDH используется для привязки существующей сети SDH к сети DWDM.

Оборудование сети плотного волнового мультиплексирования должно находиться в пунктах инфраструктуры железной дороги, на которых имеется возможность ее технического обслуживания и ремонта.

Линейное регенерационное оборудование должно обеспечивать восстановление оптических сигналов, приходящих с основного и резервного направлений по следующим параметрам: амплитуда, ширина импульса и скважность импульса, центральная длина волны и ширина спектра источника излучения. Линейное регенерационное оборудование обеспечивает стыковку между участками резервирования и осуществляет дублирование оптических сигналов для передачи по рабочему и резервному направлениям.

Узлы оптического усиления должны располагаться между оборудованием, осуществляющим регенерацию оптических сигналов.

Узлы усиления должны обеспечивать усиление оптических сигналов без оптоэлектронного преобразования.

Для дальнейшего развития сети необходимо предусмотреть возможность установки оптических мультиплексоров ввода и вывода каналов на базе оптических усилителей.

Интерфейсы оборудования DWDM должны соответствовать Рекомендациям ITU-TG.709 и G.692.

Срок службы оборудования должен составлять не менее 15 лет.

Параметры сигнала синхронизации на выходе сети DWDM должны соответствовать Рекомендациям ITU-TG.823, G.825 и G.958.

Оборудование DWDM должно поддерживать функцию автоматического регулирования мощности в зависимости от числа рабочих каналов в системе.

Оборудование SDH и DWDM по электропитанию должно удовлетворять требованиям ETSI 300 132−2.

Оборудование DWDM должно использовать резервирование O-SNCP.

Время переключения с основного направления на резервное должно составлять не более 50 мс. Должна обеспечиваться возможность переключения на резервный путь на основе анализа сигнала на электрическом уровне.

Оборудование, осуществляющая переключение на резерв, должна обеспечивать возможность автоматического возврата на рабочее направление после его восстановления по задаваемому с системой управления времени ожидания. Должна обеспечиваться возможность ручного переключения на рабочее и резервное направления.

Аппаратура SDH должна отвечать соответствующим рекомендациям ITU-Т и стандартам ETSI.

Оборудование SDH должно обеспечивать ввод/вывод компонентных сигналов в агрегатные. Оборудование SDH должно контролироваться и управляться с помощью микропроцессорных устройств и специализированного программного обеспечения. Необходимо, чтобы оборудование имело интерфейсы к рабочей станции и местному терминалу системы обслуживания, а также интерфейсы к станционной сигнализации, служебной связи, каналам пользователя и общестанционным устройствам.

В оборудовании SDH необходимо предусмотреть возможность образования местных и удаленных шлейфов, как в сторону станции, так и в сторону линии для всех портов.

Оборудование SDH должно обеспечивать резервирование трактов передачи и резервирование блоков аппаратуры.

Общая готовность линии должна соответствовать рекомендации ITU-Т G.602 и G.911.

Сеть DWDM должна иметь систему управления (СУ) на базе принципов TMN (сеть управления телекоммуникацией) в соответствии с Рекомендацией ITU-TM.3010.

Основная СУ должна располагаться в Москве и содержать 6 рабочих мест операторов, из которых 3 с возможностью конфигурирования и 3 с возможностью мониторинга оборудования DWDM.

На станции Казань должны располагаться рабочие места операторов СУ с возможностью мониторинга отдельных участков сети.

Сеть управления должна распространять свое действие на следующих уровнях TMN: уровень сетевых элементов DWDM, уровень управления сетевыми элементами и уровень управления сетью.

На каждом уровне модели TMN должно обеспечиваться управление конфигурированием, производительностью, неисправностями и безопасностью.

Сетевые элементы должны управляться как системой управления, так и с помощью локального управляющего терминала (Craft Interface Device — CID).

Система управления сетью DWDM должна строиться по принципу использования единого аппаратно-программного комплекса, и позволять управлять как оборудованием DWDM, так и оборудованием SDH.

Для каждого параметра производительности сетевой узел должен поддерживать следующие интервалы сбора данных:

· 15-минутный интервал;

· 24-часовой интервал.

Все сетевые элементы сети DWDM должны поддерживать не менее 2 служебных каналов речевой частоты (PCM 64 кбит/с).

Каждый узел сети DWDM должен поддерживать добавление и извлечение (Add&Drop) оптического канала управления OSC (Optical Supervisory Channel).

Система технической поддержки эксплуатации сети DWDM должна включать в себя:

· аварийное обслуживание;

· технические консультации;

· актуализация версий и релизов ПО;

· ремонт и замена модулей.

1.6 Преимущества и недостатки технологии DWDM

Главное достоинство технологии DWDM заключается в том, что она позволяет преодолеть ограничения на пропускную способность канала и существенно увеличить скорость передачи данных. Причем используются уже проложенный волоконно-оптический кабель и стандартная аппаратура временного мультиплексирования, а увеличивать скорость передачи по отдельному каналу до 10 Гбит/с и выше не требуется. Благодаря WDM удается организовать двустороннюю многоканальную передачу трафика по одному волокну (в обычных линиях используется пара волокон — для передачи в прямом и обратном направлениях).

Существенно и то, что в сетях SONET/SDH появилась возможность выбирать для отдельного канала значение скорости (уровень иерархии), не зависящее от скорости других каналов, и затем использовать разные методы передачи. Наконец, распространению DWDM способствуют последние технологические достижения: создание узкополосных полупроводниковых лазеров, имеющих ширину спектра излучения менее 0,1 нм, широкополосных оптических усилителей и оптических фильтров для разделения близких каналов.

Технология WDM является универсальным решением проблемы увеличения пропускной способности. Между тем ее применение тормозится рядом факторов как экономического, так и чисто технического характера.

Если говорить об экономической стороне, то внедрение DWDM в местных сетях сдерживается высокой стоимостью соответствующей аппаратуры, особенно передающих устройств, и сложностью коммутации трафика. Вместе с тем исследования показывают, что решения на базе DWDM могут оказаться экономически эффективными и в сетях меньшего масштаба. Для этого, в частности, в них должны применяться недорогие мультиплексоры ввода/вывода, устанавливаемые в местах сопряжения местных и опорных сетей.

Фактор высокой стоимости аппаратуры оказывается еще более существенным для реализации технологии DWDM. При использовании близких частот требуются узкополосные полупроводниковые лазеры с высокой стабильностью длины волны генерируемого излучения, которые являются наиболее дорогим элементом DWDM-систем, сдерживающим распространение последних.

Среди технических проблем следует упомянуть значительные потери мощности сигналов в мультиплексорах/демультиплексорах, несовпадение, во многих случаях, рабочих длин волн WDM-оборудования и устройств временного мультиплексирования, необходимость повышения производительности узлов коммутации, усложнение управления сетью из-за различий в технологиях передачи данных по мультиплексируемым каналам, отсутствие промышленных стандартов. Наконец, не последнее место в этом перечне занимают нелинейные явления, которые при одновременной передаче на нескольких несущих способны приводить не только к ослаблению и искажению сигнала, но и к его проникновению в другие каналы.

2. Обоснование выбора волоконно-оптических линий связи

2.1 Преимущества и недостатки волоконно-оптических линий связи

Современные телекоммуникации трудно представить без волоконно-оптических линий связи.

Ежегодно по всему миру прокладываются тысячи километров оптоволокна. Однако, серьезную конкуренцию иным видам проводной связи оно составило относительно недавно. Стремительное распространение оптоволоконных линий наметилось в последние годы, несмотря на то, что их внедрение началось более 30 лет назад.

За относительно небольшой срок своего развития ВОЛС заняли ведущую позицию в системах передачи информации, стали важнейшим звеном в информационной инфраструктуре современного общества.

ВОЛС — это волоконно-оптическая линия связи, которая состоит из пассивных и активных элементов, предназначенных для передачи оптического (светового) сигнала по оптоволоконному кабелю. Оптоволоконные сети имеют огромные преимущества перед обычными линиями (коаксиальный кабель), которые восприимчивы к электромагнитным полям, что сказывается на качестве передачи сигнала.

Оптоволоконные сети не имеют такого недостатка, кроме этого они имеют ряд преимуществ — широкая полоса пропускания (частота 1014Гц, позволяет передавать до нескольких терабит в секунду), на основе этой технологии можно создавать линии до ста километров, которые имеют высокую защиту от помех, так как материал оптоволокна невосприимчив к электромагнитным помехам. Такой кабель гораздо легче медного и меньше по объёму. К тому же срок службы подобных оптоволоконных линий составляет двадцать пять лет.

И хотя сегодня технология подключения, является достаточно дорогой, само волокно изготавливается из кварца на основе двуокиси кремния, который широко распространен в природе и затраты на его производство меньше, чем на производство медного кабеля, практически вдвое. А уж тот факт, что по одной линии теперь можно передавать и теле сигнал, телефон, скоростной Интернет, говорит о перспективе этих линий.

Основными преимуществами ВОЛС является:

?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 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. 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.

?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. Рассмотрение волоконно-оптических сенсорных систем выходит за рамки материала данной книги.

?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.