光纖網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

1、光纖通信網(wǎng)絡(luò)西延高速公路光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計 學(xué) 院： 專 業(yè)： 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師：2015年1月西延高速公路光纖系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計一 西延高速公路概況西延高速公路南起西安繞城高速呂小寨立交，途經(jīng)西安、咸陽、銅川、延安、三原、宜君、黃陵、洛川、富縣、甘泉3市6縣，止于延安市西北的河莊坪，全長299.85km。全線共有22座隧道（單洞），隧道總長27km，是世界罕見的黃土隧道群；各式橋梁369座，其中洛河特大橋高達(dá)152.9m，被稱為“亞洲第一高墩大橋”；沿線設(shè)有收費(fèi)站9處、服務(wù)區(qū)5處，配備有完善的交通、通訊及收費(fèi)系統(tǒng)等設(shè)施。二 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計傳輸業(yè)務(wù)高速公路SDH傳輸系統(tǒng)中承載的業(yè)務(wù)及業(yè)務(wù)流向高速

2、公路SDH傳輸系統(tǒng)中承載的業(yè)務(wù)大概分為語音、數(shù)據(jù)和圖像三大部分，下面將分別加以說明。21 語音業(yè)務(wù)語音業(yè)務(wù)主要包括業(yè)務(wù)電話(BT)、指令電話(CT)等。業(yè)務(wù)電話和指令電話提供語音交換和專線電話服務(wù)，要求實時性強(qiáng)，其業(yè)務(wù)的開展一般采用基于電路交換技術(shù)實現(xiàn)或基于包換技術(shù)實現(xiàn)。整個專用電話網(wǎng)采用接入網(wǎng)技術(shù)，在通信分中心設(shè)置接入網(wǎng)局端設(shè)備，其無人通信站設(shè)置為遠(yuǎn)端接入模塊，負(fù)責(zé)話音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的接入。22 監(jiān)控和收費(fèi)數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)監(jiān)控數(shù)據(jù)是指監(jiān)控設(shè)備的控制信號，主要指路段管理中心對外場監(jiān)控攝象機(jī)云臺發(fā)出的控制信號，通常采用的數(shù)據(jù)接口為RS一232。傳輸通路分為二級，第一級為監(jiān)控外場設(shè)備至通信站的數(shù)據(jù)傳輸通路

3、，利用模擬視頻光端機(jī)提供低速數(shù)據(jù)通道，第二級為通信站到路段監(jiān)控中心數(shù)據(jù)傳輸通路，利用接入網(wǎng)的遠(yuǎn)端接入模塊提供的低速數(shù)據(jù)通道。收費(fèi)數(shù)據(jù)傳輸通路分為三級，第一級為收費(fèi)車道至收費(fèi)站，第二級為收費(fèi)站至路段管理中心，第三級為路段管理中心至區(qū)域中心(即省高速公路收費(fèi)管理中心，其傳輸通路不在本設(shè)計范圍)。收費(fèi)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通常基于TCPIP技術(shù)組網(wǎng)，收費(fèi)數(shù)據(jù)被封裝到IP數(shù)據(jù)包中，在二層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組織上，一般采用以太網(wǎng)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)采用數(shù)字電路專線。23 監(jiān)控和收費(fèi)圖像傳輸業(yè)務(wù)監(jiān)控系統(tǒng)在高速公路沿線設(shè)置一定數(shù)量的攝像機(jī)，各攝像機(jī)的圖像和控制信號均要傳至路段管理中心，外場監(jiān)控攝像機(jī)的視頻信號通過模擬視頻光端機(jī)傳輸?shù)较?/p>

4、應(yīng)收費(fèi)站，然后通過數(shù)字光傳輸系統(tǒng)傳送到路段管理中心。收費(fèi)系統(tǒng)在各收費(fèi)站廣場出口均設(shè)置攝像機(jī)，各攝像機(jī)的圖像信號先傳到相應(yīng)的收費(fèi)站，再傳到路段管理中心。為便于視頻圖象的上傳，減少網(wǎng)絡(luò)帶寬，同時要保證有足夠的圖象質(zhì)量，視頻圖象采用MPEG一2壓縮算法，視頻數(shù)據(jù)流的帶寬控制在2Mbps。三 光纖通信傳輸系統(tǒng)設(shè)計3.1 采用SDH方案的可行性分析SDH傳輸系統(tǒng)傳輸容量大、設(shè)備兼容性好、上下電路靈活、測試管理開銷豐富、網(wǎng)管能力強(qiáng)、總體性能優(yōu)于PDH。近幾年SDH技術(shù)成熟、大量應(yīng)用于工程實踐，具有工程實踐的可行性。據(jù)對市場的了解，目前同容量的SDH設(shè)備價格比PDH設(shè)備低，采用SDH方案替代PDH方案可節(jié)約

5、投資，取得較高的經(jīng)濟(jì)效益，具有較高的社會效益。3.2 SDH光通信的技術(shù)特點同步數(shù)字體系光同步傳輸網(wǎng)主要的特點是：1）采用同步復(fù)用方式和靈活的復(fù)用影視劇結(jié)構(gòu)，避免了PDH從高速信號中分插低速信號需多次復(fù)用的過程，使業(yè)務(wù)上下非常方便，有利用容納各種新的帶寬業(yè)務(wù)的引入。2）網(wǎng)絡(luò)具有標(biāo)準(zhǔn)的光接口，開方性標(biāo)準(zhǔn)光接口可滿足多廠家產(chǎn)品環(huán)境，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的橫向兼容性，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)成本，有利于網(wǎng)絡(luò)的后期管理。3）SDH幀結(jié)構(gòu)中安排有豐富的開銷比特有利于網(wǎng)絡(luò)管理，故網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行、管理、維護(hù)能力強(qiáng)大、有利于新特性、新功能的開發(fā)。4）由于采用指針調(diào)整技術(shù)，SDH網(wǎng)絡(luò)具有定時透明性，網(wǎng)絡(luò)能在準(zhǔn)同步環(huán)境下工作，其凈負(fù)荷可以在不同

6、的島之間傳送而不影響業(yè)務(wù)質(zhì)量，并有能力經(jīng)受定時基準(zhǔn)的丟失，網(wǎng)絡(luò)性能比較PDH光通信系統(tǒng)有了很大的改善。3.3 SDH光傳輸系統(tǒng)方案的選擇確定PDH的特點：1）PDH上下電路采用逐級分層、復(fù)接的方式實現(xiàn)，系統(tǒng)設(shè)備繁多、維護(hù)量大、對網(wǎng)絡(luò)性能有不良的影響。2）PDH的各等級信號幀結(jié)構(gòu)中，插入比特少，不能滿足網(wǎng)絡(luò)維護(hù)管理的要求，也不適應(yīng)電信管網(wǎng)的要求。3）PDH光傳輸系統(tǒng)不具備光路上的橫向兼容性。4）更高次群如繼續(xù)采用PDH方式將難以實現(xiàn)。SDH的特點：1）SDH可以將不同體質(zhì)的SDH信號采用復(fù)用、映射的方法在STM-1等級上進(jìn)行兼容，實現(xiàn)高速率數(shù)字傳輸?shù)慕y(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。2）SDH上下電路方便。3）SDH網(wǎng)

7、絡(luò)管理能力強(qiáng)大。4）光接口標(biāo)準(zhǔn)。5）系統(tǒng)構(gòu)成簡化，便于安裝及維護(hù)。6）可實現(xiàn)PDH-SDH-PDH以及SDH-PDH-SDH的互通，還能支持ATM,適合向B-ISDN過渡和發(fā)展。3.4 重要參數(shù)計算3.4.1 最大色散系數(shù)的計算本設(shè)計光纖選擇為G.652光纖，其色散波長范圍1300nm到1324nm，故其最大色散系數(shù)其值小于3.5ps/(nm.km)，計算過程如下：3.4.2 等效功率代價機(jī)模分配噪聲的計算光源為FP激光時，系統(tǒng)的色散功率代價主要來自碼間干擾和模分配噪聲，F(xiàn)P激光器的K值范圍為0.40.7，本系統(tǒng)設(shè)計的誤碼率為p，Q=6.4，根據(jù)等效功率代價的計算式：其中，B線路信號速率（Mb

8、it/s）D：光纖色散系數(shù)（ps/nm.km）L：光纖長度：光源的均方根譜寬：脈沖均方根展寬值T：信號時隙寬帶以及模分配噪聲所產(chǎn)生的等效功率帶價值計算式：等效功率代價：模分配噪聲所產(chǎn)生的等效功率代價：3.4.3光通道最大色散DL的計算色散功率代價和傳輸距離、比特率、光譜寬帶以及光纖色散系數(shù)等因素有關(guān)。為提高系統(tǒng)性能，加大系統(tǒng)工作余度，應(yīng)嚴(yán)格限制功率代價所對應(yīng)的光通道最大色散值。根據(jù)本設(shè)計的系統(tǒng)設(shè)計依據(jù)，對光通道最大色散DL的計算中的光源均方根譜寬值取為L-1.1系統(tǒng)光源的均方根譜寬最大值4nm。光通道最大色散值3.4.4 系統(tǒng)功率代價根據(jù)分析可以，功率代價為1dB,曲線上升功率增長很快，系統(tǒng)性

9、能惡化迅速，光功率代價增長太快，故本設(shè)計的系統(tǒng)代價取為小于1dB。、3.5 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及系統(tǒng)保護(hù)配置方案的選擇3.5.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)浞磻?yīng)了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和傳輸線路的集合排列，對網(wǎng)絡(luò)的效能、可靠性及經(jīng)濟(jì)型有很大的影響。網(wǎng)絡(luò)的基本物理拓?fù)浯篌w上有五類，即星形、樹形、網(wǎng)孔形、環(huán)形、鏈形。星形特點：結(jié)構(gòu)中設(shè)計通信的所有點中有一個特殊的點與其余的所有點直接連接相連，而其余點之間不能直接相連，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有綜合的寬帶管理靈活性，但是存在特殊點的潛在瓶頸問題和失效問題。樹形特點：適合于廣播式業(yè)務(wù)，不適合雙向通行業(yè)務(wù)。網(wǎng)孔特點：很好的解決節(jié)點瓶頸和失效問題，任何點都有多種路由可選，可靠性高，但是

10、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。綜合以上到實踐公路中，考慮地理特點、投資情況、線纜情況、網(wǎng)絡(luò)傳輸信息量大小、信息傳輸實時性要求以及鏈形、環(huán)網(wǎng)形結(jié)構(gòu)各自特點，本設(shè)計才有鏈形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通常采用的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)方式有設(shè)備保護(hù)、不同路由保護(hù)、數(shù)字交叉連接保護(hù)及環(huán)形網(wǎng)自愈保護(hù)等。在高速公路通信系統(tǒng)中，常用的兩種網(wǎng)絡(luò)保護(hù)方式是線路自動切換保護(hù)和自愈環(huán)保護(hù)。3.5.2 線路自動切換保護(hù)線路自動切換保護(hù)屬于復(fù)用段保護(hù)。有1+1和1：1兩種保護(hù)制式，適用于線形的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其基木工作原理是，當(dāng)主工作系統(tǒng)發(fā)生中斷或性能劣化到一定程度后，由系統(tǒng)倒換設(shè)備將信號自動轉(zhuǎn)換至備用系統(tǒng)傳輸。保護(hù)切換時間很短，可在50 ms內(nèi)完成，對所傳輸業(yè)

11、務(wù)幾乎不產(chǎn)生影響。1)1+1方式1+1光保護(hù)系統(tǒng)切換方式原理SDH信號同時在工作與保護(hù)兩個復(fù)用段上傳輸。也就是說，在發(fā)送端信號永久地連接(橋接)在工作段和保護(hù)段上。在接收端，復(fù)用段保護(hù)(MSPMultiple Segment Protection)模塊監(jiān)測從這兩個段上接收到的信號狀態(tài)，選擇并接通其中更適合的信號。在1+1保護(hù)方式中，由于工作通路是永久地被橋接著，因此不可能提供未經(jīng)保護(hù)的額外業(yè)務(wù)通路。這種保護(hù)方式可靠性高，但成本高。2)1：1方式1：1光保護(hù)系統(tǒng)切換原理在l：1方式中，正常工作時，無需對工作段進(jìn)行保護(hù)，保護(hù)段可以用來傳輸額外的業(yè)務(wù)量。MSP模塊監(jiān)測和判定工作段上的信號狀態(tài)，一旦出

12、現(xiàn)故障，立即通知發(fā)送端進(jìn)行切換，這時保護(hù)段上額外的業(yè)務(wù)量將隨之丟失。在這種方式中，保護(hù)段的工作容量可小于工作段的容量。由于l：1方式的保護(hù)通路可用于傳送額外業(yè)務(wù)，因此系統(tǒng)效率高于1+1方式。由于高速公路通信系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)非常重要，特別是隨著高速聯(lián)網(wǎng)收費(fèi)方式的逐步采用，為提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，因此高速公路光傳輸系統(tǒng)的線路自動切換保護(hù)方式采用1+1方式。353 自愈環(huán)保護(hù)目前常用的環(huán)形網(wǎng)主要有單回路環(huán)形結(jié)構(gòu)、雙回路環(huán)形結(jié)構(gòu)和隔站連接環(huán)形結(jié)構(gòu)，隔站連接環(huán)形結(jié)構(gòu)如圖所示。隔站連接環(huán)形網(wǎng)是使用同一根光纜中的兩根光纖構(gòu)成一個環(huán)路，僅能對斷纖故障進(jìn)行保護(hù)，保護(hù)能力較弱。但由于所需設(shè)備較少，結(jié)構(gòu)簡單，比較適應(yīng)

13、目前國內(nèi)高速公路的發(fā)展現(xiàn)狀，因此被一些路段上的通信系統(tǒng)所采用。從圖中可以看出，在這種結(jié)構(gòu)中，相鄰兩個站之間的信號傳輸必須沿環(huán)路繞行一周，使得整個鏈路的負(fù)荷大大增加，所以在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時必須有所考慮。通常意義上的環(huán)形網(wǎng)要求各通信站在地理位置上要構(gòu)成一個環(huán)路。單回路環(huán)結(jié)構(gòu)是采用一根光纖組成鏈路進(jìn)行雙向傳輸；雙回路環(huán)結(jié)構(gòu)是采用兩根光纖組成鏈路進(jìn)行單向傳輸，兩根光纖的傳輸方向固定且相反。一旦某處光纜被切斷，即可切換傳輸方向，保證通信的正常進(jìn)行。單回路環(huán)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為簡單，所需設(shè)備的數(shù)量較少，但需要在同一方向上同時進(jìn)行收發(fā)，設(shè)備較為復(fù)雜；而雙回路環(huán)網(wǎng)絡(luò)則相反，其保護(hù)能力和業(yè)務(wù)容量均強(qiáng)于單環(huán)網(wǎng)絡(luò)。選用何種自愈保

14、護(hù)方式需綜合考慮各站點的地理位置、網(wǎng)絡(luò)的容量要求、網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性以及設(shè)備的實用化程度等因素，依據(jù)實際情況確定。高速公路通信系統(tǒng)的通信站是沿公路線狀分布，所以在各路段上采用隔站連接環(huán)形網(wǎng)。由于所采用的光纖都是同纜光纖，因此以上兩種結(jié)構(gòu)只能對設(shè)備故障進(jìn)行保護(hù)而無法保護(hù)斷纜故障。354 網(wǎng)絡(luò)保護(hù)方式的選擇在高速公路通信傳輸系統(tǒng)中，特別是路段通信傳輸網(wǎng)絡(luò)中，傳輸系統(tǒng)的可靠性并不會像公眾通信網(wǎng)絡(luò)中要求達(dá)到電信級的水準(zhǔn)，在考慮傳輸系統(tǒng)的可靠性的同時，也要考慮到為獲得高可靠性所要付出的成本。另外，在高速公路通信系統(tǒng)中，光纜一般敷設(shè)在高速公路路中央隔離帶的管道中，因此光纜的運(yùn)行環(huán)境相對來說比較好。綜合以

15、上多種因素，西延高速公路光傳輸網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)方式采用隔站連接環(huán)形網(wǎng)自愈環(huán)保護(hù)方式。36 網(wǎng)同步3.6.1 網(wǎng)同步SDH設(shè)備的不同步或同步降質(zhì)會引起數(shù)字信號的滑碼、突發(fā)誤碼、相位突變、抖動或漂移等，會對數(shù)字信號帶來損傷，從而網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)造成不同程度的影響。SDH網(wǎng)元定時方式主要有外同步定時源、從接收的信號中提取定時和內(nèi)部定時源3種方式。中從接收的信號中提取定時又可分為線路定時、環(huán)路定時和通過定時3種。外同步定時源方式是指SDH設(shè)備的同步定時信號由外部定時源供給(如Brrs)。線路定時是指SDH設(shè)備中所有發(fā)送的STMN信號都將從某一輸入的STMN信號中提取定時信號。環(huán)路定時是SDH終端設(shè)備使用

16、的線路定時的種形式，即定時信號僅同步返回方向的輸出光信號。在全省交通專用通信網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)后，西延高速公路光纖通信系統(tǒng)內(nèi)各站設(shè)備同步于省高速公路監(jiān)控通信中心BITS(大樓綜合定時系統(tǒng))的時鐘源，定時信號從線路碼流中提??；在交通專網(wǎng)未聯(lián)網(wǎng)時，同步于西延通信網(wǎng)中數(shù)字程控交換機(jī)的時鐘源。當(dāng)光傳輸線路中同步時鐘信號丟失時，各站設(shè)備將以保護(hù)模式維持同步狀態(tài)。3.6.2 網(wǎng)絡(luò)管理西延高速公路光纖通信系統(tǒng)目前共有9個網(wǎng)元?？紤]到網(wǎng)絡(luò)級網(wǎng)管的價格太高光纖通信系統(tǒng)可管的網(wǎng)元較少，使用網(wǎng)元級的網(wǎng)管已能完全滿足西寶高速公路光纖通信系統(tǒng)的管理需要，故本設(shè)計采用網(wǎng)元級的網(wǎng)管，這樣的選擇比采用網(wǎng)絡(luò)級網(wǎng)管具有更高的性價比3.6.3

17、 時鐘配置3.6.3.1配置的考慮1）西延高速公路光纖通信系統(tǒng)網(wǎng)元不多，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，此案有G.813網(wǎng)絡(luò)單元時鐘就可以滿足要求。2）從經(jīng)濟(jì)方面，G.811和G.812價格較貴。3）從今后擴(kuò)展方面考慮用G.813可以方面的配備GPS是全網(wǎng)主從同步方式。初期采用西安通信中心機(jī)內(nèi)自激振蕩器為時鐘源，而西延高速各個通信中心時鐘跟蹤西安通信中心時鐘，當(dāng)今后容量擴(kuò)大時，在各個大的中心再配置G.812時鐘，全網(wǎng)蔡永紅主從同步方式跟蹤臨近的G.812時鐘。3.6.3.1 同步時鐘要求1）頻率準(zhǔn)確度SDH設(shè)備時鐘自由振蕩時，輸出頻率準(zhǔn)確度絕對值不大于4.6ppm。2）保持工作方式當(dāng)外部定時源中段時，S

18、DH設(shè)備設(shè)備應(yīng)能在24小時內(nèi)仍能維持相對于外部定時中斷瞬間的時鐘頻率，在這段時間末，指針頻率同中斷瞬時的指針頻率相差不超過0.37ppm3）時鐘帶寬SDH設(shè)備時鐘帶寬為1-10Hz。4）同步時鐘來源本設(shè)計SDH設(shè)備的定時基準(zhǔn)從接受到的155Mb/s信號中提取。3.7 中繼長度的計算采用ML或者SLM光源的中繼段長度計算：Pt(最小發(fā)送功率) = -5dBmPr(接受靈敏度) = -34dBmPp（光通道代價）= 1dB（FC/PC接頭損耗）= 0.5dB(光纖損耗包括接頭損耗) = 0.4dB/km最大色散為185ps/nm,光纜富余度為0.1dB/kmLp（衰耗限制的中繼段長度）= (（Pt

19、-Pr-2-Pm-Pp）/+Mc) = 48 kmLd(色散限制的中繼段長度) = Dsr/Dm本設(shè)計采用的是G.652光纖，其零色散波長范圍為1300nm1324nm,最大零色散斜率為0.093ps/(nm . nm . km)。當(dāng)為12881339nm時，帶入上式有Dm（最大色散系數(shù)）（3.5ps/(nm.km)）,所以Ld（色散限制的中繼段長度）=52.8km。根據(jù)以上的計算，色散和衰耗都能滿足的中繼傳輸距離不大于48km。3.8 本設(shè)計光纜的選擇3.8.1 本設(shè)計光纜要求光纜類型：G.652單模光纖。工作波長：工作正在1310nm窗口。光纖芯數(shù)：16芯。3.8.2 幾何、光學(xué)特性要求（1）模場直徑：9.5um左右。（2）包層外徑：125um,幅度2um。（3）模場同心誤差：小于等于1um。（4）包層不圓度：小于2%。3.8.3環(huán)境性能要求：光纖衰減溫度特性：-2060度范圍內(nèi)無附加損耗?？?jié)B水性：在1525度溫度下，1m高水頭加到距光纜端頭3m出的纜心24小時后，在此光纜端上無水滲出。浸水性能：當(dāng)用浸水實驗來檢驗外護(hù)層中的塑料防腐蝕外套的完整性時，在光纜浸水24小時后，防腐蝕外套的電氣性能應(yīng)滿足隨地絕緣在直流500v下達(dá)