10.1. Качественные показатели функционирования цифровых трактов

10.2. Анализ причин, вызывающих снижение качественных показателей трактов ЦСП

10.3. Реконструкция действующих кабельных магистралей на основе организации трактов ЦСП

10.4. Реконструкция действующих кабельных магистралей на основе строительства ВОЛС

10.5. Расчет длины участка регенерации волоконно-оптической системы передачи (ВОСП)

10.6. Реконструкция действующих магистралей на основе волоконно-оптических кабельных вставок

Существующая первичная сеть основана в основном на металлических кабелях связи, причем преобладающим типом является симметричный кабель, по цепям которого организованы тракты аналоговых систем передачи. Бурное развитие информационных потоков, появление новых видов передаваемой информации требует существенного увеличения трафика как на основных направлениях первичной сети, так и на зоновых участках.

В результате сложилась ситуация, когда недостаточная развитость сети на основе использования направляющих систем с высокой пропускной способностью, прежде всего, с применением волоконно-оптических кабелей связи, сдерживает развитие информационных структур и вызывает необходимость предлагать разнообразные методы решения задач по реконструкции существующих магистральных и зоновых линий связи первичной сети для существенного увеличения пропускной способности последних.

10.1. Качественные показатели функционирования цифровых трактов

Одним из основных методов решения указанной задачи является реконструкция трактов аналоговых систем передачи и организация трактов цифровых систем. Прежде всего, это относится к линиям связи на основе симметричных высокочастотных кабелей. При этом наиболее широкое распространение получила аппаратура плезиохронной системы иерархии, таблица 10.1.

Таблица 10.1 Ступени иерархии ЦСП

При разработке проекта реконструкции трактов, организованных по симметричным кабелям связи, используется аппаратура, как правило, не выше третичной ступени иерархии.

Важнейшим критерием оценки правильности проектных решений является обеспечение требований к качеству работы тракта, которое оценивается рядом событий ошибок, за которыми осуществляется контроль.

Контроль основан на наблюдении за четырьмя различными событиями ошибок [3]:

- блок с ошибками (errored block, В), в котором имеется одна или несколько ошибок по битам;

- секунда с ошибками (errored second, ES) - отрезок времени в 1 с, в котором имеется один или несколько блоков с ошибками;

- секунда, пораженная ошибками (severly errored second, SES), - отрезок времени в 1 с, который содержит > 30 % блоков с ошибками или, по крайней мере, один период с большим количеством ошибок (severly disturbed period, SDP), или сильно пораженный период;

- фоновая блочная ошибка (background block errored, ВВЕ) - блок с ошибками, не относящийся к секунде с ошибками.

Измерение, указанных событий ошибок, дает абсолютные величины. По практическим соображениям целесообразнее работать с относительными величинами, которые определяются так:

- отношение секунд с ошибками к общему числу секунд в измерительном интервале (Errored Second Ratio, ESR);

- отношение секунд с большим количеством ошибок к общему числу секунд в измерительном интервале (Severely Errored Second Ratio, SESR);

- отношение количества блоков с ошибками к общему числу блоков в измерительном интервале (Background Block Errored Ratio, BBER).

В соответствии с определением событий с ошибками при расчете коэффициента BBER исключаются все блоки во время секунд с большим количеством ошибок.

Во всех трех определениях следует учесть, что для соотношения могут браться только периоды готовности измеряемой системы передачи.

Готовность заканчивается с началом периода, который содержит минимум 10 следующих друг за другом секунд с большим количеством ошибок в одном из направлений передачи.

Система снова находится в состоянии готовности с периода времени, который состоит как минимум из 10 с, не имеющих большого количества ошибок.

Целевые величины из конца в конец для опорного тракта ЦСП ПЦИ длиной 27500 км указаны в таблице 10.2.

Таблица 10.2 Целевые величины из конца в конец для опорного тракта ЦСП ПЦИ

При этом требуется, чтобы цифровой тракт одновременно выполнял все целевые величины, указанные в таблице 10.2.

В качестве интервала наблюдения предлагается временной отрезок в один месяц.

Проверка характеристик в условиях передачи трафика может проводиться непосредственно или статистически, в случае если объект технической эксплуатации сам указывает на ухудшение рабочих характеристик, на длительное наличие дефектов или на подтвержденные неработоспособности.

Все сигналы первичной информации от различных датчиков либо передаются от каждого объекта в блок обработки, либо обрабатываются на месте. Показатели рабочих характеристик определяются на основе этой информации. Каждый из показателей рабочих характеристик (ES, SES, ВВЕ) должен обрабатываться отдельно, чтобы рассчитать величину показателя качества работы объекта технической эксплуатации.

Неприемлемый показатель качества характеризуется степенью и длительностью ухудшения качества. Он может быть связан с состоянием неработоспособности и устанавливается путем статистического анализа индивидуально для каждого показателя рабочей характеристики за определенное время Т1.

Как только результат статистического анализа достигнет порога N1 (определенного для каждого объекта технической эксплуатации индивидуально), объект становится неприемлемым по рабочим характеристикам.

Для каждого подтвержденного состояния неработоспособности, соответствующего перерыву, длящемуся п последовательных секунд, объект технической эксплуатации считается достигшим неприемлемого уровня.

Для расчета ухудшенного показателя качества каждый параметр рабочих характеристик анализируется статистически за определенное время T2, которое может представлять собой достаточно большой период.

Как только результат статистического анализа достигает порога N2 (который должен быть определен), объект считается объектом ухудшенного качества. Интервал времени T2 зависит от рассматриваемого объекта.

Проверка на статистической основе влечет определенные решения в отношении технической эксплуатации:

- число раз, когда объект показал «нормальное» функционирование, сравнивается с числом раз, когда показатель качества объекта не выполнял требования;

- среднее время функционирования сравнивается со стандартным значением;

- число раз, когда объект выполнял свою функцию в течение определенного периода, в сравнении со стандартными значениями.

Если величина ухудшенного показателя качества характеризуется постепенным ухудшением качества, эксплуатационный персонал должен быть информирован прежде, чем это ухудшение качественного показателя станет неприемлемым для пользователя.

10.2. Анализ причин, вызывающих снижение качественных показателей трактов ЦСП

Для передачи по цифровому линейному тракту информационный сигнал преобразуется в один из типов линейных кодов, характеристики которого согласованы с параметрами кабельных цепей и к которым предъявляется ряд требований:

- ограничение спектра линейного кода в диапазоне частот, характеризующемся повышенным уровнем помех;

- обеспечение возможности простого и надежного выделения синхросигнала;

- обеспечение бесперебойной работы линейного тракта при любой статистике входного сигнала;

- возможность контроля состояния линейного тракта и линейных регенераторов в процессе их непрерывной работы.

Все реальные линии связи ограничены по полосе пропускания и имеют неравномерную амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики, что вызывает необходимость коррекции формы импульсов линейного кода для уменьшения возникновения ошибок за счет межсимвольной интерференции (МСИ). Это явление обусловлено тем, что при неравномерной АЧХ линии связи форма импульсов, передаваемых по линии, искажается, длительность фронтов возрастает и, когда она становится больше тактового интервала, импульсы могу перекрываться, МСИ изменяет мгновенные значения сигнала в моменты их стробирования при регенерации и приводит к увеличению вероятности ошибки при детектировании.

Таким образом, задача построения линейной части регенератора является задачей оптимальной фильтрации, но не в ее классическом виде, когда оптимальный приемник обнаруживает сигнал в аддитивном шуме, а задачей оптимального обнаружения искаженного межсимвольной помехой сигнала на фоне аддитивной помехи.

Рассмотрим модель приемной части регенератора. Пусть на вход линейной части регенератора (рисунок 10.1) поступает сигнал в виде случайной последовательности импульсов известной формы, отличающихся по уровню, и флуктуационный шум n(t) с энергетическим спектром G(ω). Обозначим через S(ω) спектральную плотность одного из используемых элементов сигнала с единичным уровнем на входе приемного фильтра.

Тогда спектральная плотность реакции фильтра на этот элемент

R(iω) = S(ω)K(iω) = S(ω) [φ(iω)/υ(iω)],

где K(ω) =[φ(iω)/υ(iω)]- коэффициент передачи линейной части регенератора.

Рисунок 10.1 Модель приемной части регенератора

Определим среднюю квадратическую ошибку реакции на входе решающего устройства в момент отсчета на некоторый элемент сигнала, обусловленную воздействием шума и межсимвольной помехи. Обозначим через c_kr(t) ↔ c_kR(iω) реакцию приемного фильтра на элемент сигнала с уровнем c_k и через g(t) ↔ K(iω) импульсную характеристику линейной части регенератора.

Указанная ошибка для выделенного элемента сигнала с уровнем

_, (10.1)

где t_o - момент стробирования; Е - символ математического ожидания; * - символ свертки двух функций.

Положим, что шум является стационарным случайным процессом с нулевым средним значением, а корреляция между сигналом и шумом отсутствует. Это справедливо как для теплового шума в коаксиальном кабеле, так и для переходной помехи в симметричном кабеле. Тогда

σ²_ош=u²_мп+u²_ш, (10.2)

где ; п и m - номера тактовых интервалов, а средний квадрат шума на выходе фильтра .

Возрастание значения BBER или вероятности возникновения ошибки происходит в том случае, когда в момент стробирования мгновенное напряжение помех, действующих на входе линейного регенератора и определяемое различными факторами, превышает допустимое значение.

В общем случае суммарная мощность линейных помех, возникающих в кабельных цепях без учета помех от внешних электромагнитных полей [3]

(10.3)

где N_пвдк - мощность помех за счет переходных влияний на дальнем конце, обусловленная значением защищенности на дальнем конце цепи А₃; N_пвбк -мощность помех за счет переходного влияния на ближнем конце, обусловленная значением защищенности на ближнем конце цепи Ао; N_пп - мощность помех за счет попутных и встречных потоков, обусловленная неоднородностями волнового сопротивления линии ΔZ_B; N_тш- мощность теплового шума.

Для различных типов металлических направляющих систем (симметричный или коаксиальный кабель) преобладают те или иные составляющие суммарной мощности помех Подробный анализ закона распределения мощности суммарных помех [3] показывает, что закон распределения значений напряжения аддитивной помехи близок к нормальному закону распределения. Учитывая, что для большинства линейных кодов (например, 5В6В) с амплитудой импульса, равной А, модуль порогового напряжения D = А/2.

В этом случае вероятность ошибки на длине участка регенерации (Р_ур)

, (10.4)

где П - интеграл Лапласа - Гаусса, Nz - суммарная мощность линейных помех на входе линейного регенератора.

Отношение пpинято называть отношением сигнал/шум.

Если, в качестве примера, принять вероятность ошибки (значение BBER) на длине участка регенерации Р_ур = 10^-10, решая выражение (10.4), получим

.

Таким образом, как показывают простейшие вычисления для идеального линейного регенератора, у которого отсутствуют межсимвольные искажения, вероятность ошибки на длине участка регенерации не будет превышать значения 10^-10, если соотношение сигнал/шум на его входе будет не менее 16,2 дБ.

В реальных линейных регенераторах [3] оптимальное соотношение между межсимвольными искажениями и мощностью линейных помех достигается в том случае, когда мгновенное значение изменения сигнала за счет МСИ составляет 0,25 от порогового напряжения, поэтому для реального регенератора

. (10.5)

В этом случае

дБ.

при Р_ур =10^-10.

Таким образом, теоретически для реального регенератора отношение сигнал/шум на входе решающего устройства должно быть не менее 18,7 дБ. Практически, с учетом всех дестабилизирующих факторов работы трактов ЦСП, а также для обеспечения определенного запаса по помехо­устойчивости, отношение сигнал/шум на входе решающего устройства при использовании наиболее распространенных линейных кодов принимают равным не менее 26 дБ.

Для высокоскоростных ЦСП необходимое соотношение сигнал/шум устанавливается путем анализа особенностей организации работы последних. Установленная величина допустимого соотношения сигнал/шум на входе линейного регенератора является основанием для определения длины участка регенерации по обеспечению помехоустойчивости тракта.

В общем случае длина регенерационного участка будет определяться двумя факторами: перекрываемым аппаратурой ЦСП затуханием, широкополосностью линии связи, которая в металлических кабелях ограничена шумами (рисунок 10.2),

В зависимости от выбранной аппаратуры ЦСП, которая имеет определенное значение перекрываемого затухания с требуемым запасом по помехоустойчивости а_доп и конкретное значение скорости передачи (тактовая частота линейного кода), т. е, требуемую широкополосность ΔF_ДОП можно определить значения двух длин участка регенерации: по затуханию и линейным шумам.

Рисунок 10.2 Возможные варианты сравнительной оценки длин участков регенерации:

а - по затуханию, ΔF - по широкополосности линии, ограниченной шумами

Основным условием правильного расчета длин участка регенерации является:

L_ΔF>L_a. (10.6)

Таким образом, учитывая указанные факторы, можно осуществить реконструкцию действующих магистралей первичной сети как на симметричном, так и на коаксиальных кабелях связи. Однако в связи с сокращением длин участков регенерации при организации более высокоскоростных трактов растет количество активного оборудования и соответственно снижается надежность тракта.

10.3. Реконструкция действующих кабельных магистралей на основе организации трактов ЦСП

Основной задачей реконструкции является правильная оценка длин участков регенерации для того или иного типа кабеля связи при той или иной схеме организации связи [20-21].

На городских сетях, прежде всего на соединительных линиях (СЛ), где применяются многопарные низкочастотные кабели связи, цифровые системы передачи работают в однокабельном режиме, т. е. оба направления передачи находятся в одном кабеле, а основной причиной, вызывающей рост шумов, являются переходные влияния на ближний конец.

В этом случае длину регенерационного участка можно определить из неравенства:

aL < Ао - σ - 10lg п - δ, (10.7)

где Ао - среднее значение переходного затухания на ближнем конце взаимовлияющих пар на полутактовой частоте; σ - среднеквадратическое отклонение переходного затухания; aL - затухание регенерационного участка на полутактовой частоте; п - число одновременно работающих систем передачи; δ- требуемое соотношение сигнал/помеха.

Для двухкабельной схемы организации связи, которая повсеместно используется на магистральных и зоновых линиях, допустимую длину регенерационного участка при одновременной работе п ЦСП можно определить из неравенства:

А₃- σ >101g п + δ, (10.8)

где А₃ - среднее значение защищенности на дальнем конце для выбранной комбинации влияния на полутактовой частоте.

В коаксиальном кабеле основным источником помех являются собственные шумы линейного тракта, поэтому длину регенерационного участка можно определять из требуемого соотношения сигнал/помеха и мощности теплового шума на входе решающего устройства регенератора:

aL≤p- 101g W_ш- δ, (10.9)

где р - уровень импульсов на передаче; aL - затухание регенерационного участка на полутактовой частоте; W_ш - мощность теплового шума на входе решающего устройства; δ -требуемое соотношение сигнал/помеха.

Уровень мощности теплового шума

10lg W_ш = Р_ш + 10lg В +F (10.10)

где Р_ш - уровень мощности шума в полосе частот 1 МГц (в коаксиальном кабеле = -114 дБм); F- шум-фактор корректирующего усилителя; В - эквивалентная полоса частот шума (для аппаратуры ЦСП может быть определена как 0,4f_т).

10.4. Реконструкция действующих кабельных магистралей на основе строительства ВОЛС

Волоконно-оптические линии связи занимают в настоящее время лидирующее место по развитию и строительству и если провести анализ затрат на строительство BOJIC и проведение реконструкции с сохранением существующего кабеля связи можно выбрать способ строительства ВОЛС, который по затратам будет соизмерим с рассмотренным выше способом реконструкции. Основные характеристики методов строительства ВОЛС приведены на основе усреднения по затратам и оценкам надежности различных фирм, прежде всего АО «Лентелефонстрой», АО «Ростелеком», АО «Ленэнерго», АО «Ставропольэнерг», АО «Дагэнерго» и ряд других (таблица 10.2).

Строительство ВОЛС позволит отказаться от промежуточных необслуживаемых регенерационных пунктов, что значительно сократит количество активного оборудования, и за счет чего затраты на реконструкцию будут примерно одинаковы.

В настоящее время все большее внимание уделяется возможности использования существующих линий электропередач (ЛЭП) в качестве основных элементов несущих конструкций при строительстве линейных трактов ВОЛС. Использование широко разветвленной сети ЛЭП позволяет осуществлять строительство трех основных типов ВОЛС: с использованием подвески самонесущего кабеля, прокладки специального грозозащитного троса с вмонтированным оптическим кабелем (ОК) и навивки кабеля на фазовый провод.

Анализ показателей при использовании способа навивки ОК непосредственно на фазовый провод ЛЭП подчеркивает целесообразность применения его в качестве одного из основных способов строительства, в целях реконструкции существующих линий связи. Следует отметить, что при использовании указанного способа значительно упрощается конструкция ОК, так как отсутствует необходимость армирования кабеля дорогостоящими силовыми элементами, которые приводят не только к существенному увеличению цены, но и к возрастанию его веса.

Одним из основных факторов, приводящих к обрыву воздушных ВОЛС, реализованных на ОК самонесущей конструкции, является обледенение кабеля, а также его разрушение вследствие значительных вибраций на пролетах между опорами из-за воздействия ветровых нагрузок,

Способ навивки ОК на фазовый провод в значительной мере позволяет исключить обледенение проводов, которое наступает при нулевой температуре окружающей среды, так как полиэтиленовая влагозащитная оболочка, подверженная воздействию внешнего электромагнитного поля ЛЭП, разогревается примерно на 1°С при напряженности поля 10 кВ/м, т. е. происходит естественное оттаивание используемого фазового провода вследствие более высокой температуры у навитого кабеля.

Кроме того, навивка ВОК на фазовый провод уменьшает турбулентность воздушных потоков, обтекающих систему «кабель-провод ЛЭП», что, в свою очередь, существенно, на 40-60 % снижает уровень вибрации системы.

Применение предлагаемой навивной технологии устраняет проблемы перехода через значительные по ширине водные преграды и горные ущелья при наличии переходов ЛЭП.

Реализация преимуществ навивных ВОЛС возможна только при создании простой, надежной и высокоэффективной технологии навивки ВОК как на фазовые провода ЛЭП, так и на любые другие несущие элементы на существующих отечественных энергосистемах, а также определить требования к механическим параметрам навивного кабеля и характеристики внешней влагозащитной оболочки.

10.5. Расчет длины участка регенерации волоконно-оптической системы передачи (ВОСП)

Основной задачей при реконструкции с переходом на ВОЛС является правильная оценка длины участка регенерации.

При проектировании ВОЛС должны рассчитываться отдельно длины участков по затуханию (L_a) регенерации по широкополосности (L_ш), так как причины, ограничивающие предельные значения указанных длин, независимы.

В общем случае целесообразно рассчитывать L_amax, L_amin - максимальную/минимальную проектную длины участков регенерации.

Для оценки этих величин используются выражения [3]:

, (10.11)

(10.12)

где А_max, А_min - максимальное/минимальное значения перекрываемого затухания аппаратуры ВОСП, обеспечивающее к концу срока службы значение BBER не менее 1·10^-10; А_ок (дБ/км) - километрическое затухание в оптических волокнах кабеля на рабочей длине волны; А_нс (дБ) - среднее значение затухания мощности оптического излучения неразъемного оптического соединения на стыке между строительными длинами кабеля на участке регенерации; L_cтp (км) - среднее значение строительной длины кабеля на участке регенерации; А_ре (дБ) - среднее значение затухания мощности оптического излучения разъемного оптического соединения; п - число разъемных оптических соединений на участке регенерации; D (пс/нм км) - суммарная дисперсия одномодового оптического волокна; d (нм) - ширина спектра источника излучения; В (МГц) - широкополосность цифровых сигналов, передаваемых по оптическому тракту; М (дБ) - системный запас ВОСП по кабелю на участке регенерации.

Если по результатам расчета получено L_ш≤ L_{a max}, то для проектирования должны быть выбраны аппаратура или кабель с другими техническими данными (D, d), обеспечивающие больший запас по широкополосности на участке регенерации. Расчет должен быть проведен снова.

Критерием окончательного выбора аппаратуры или кабеля должно быть выполнение соотношения

L_ш > L_{a max}. (10.13)

Максимальное значение перекрываемого затухания (А_mах) определяется разностью между минимальным уровнем мощности оптического излучения на передаче и чувствительностью приемника,

Минимальное значение перекрываемого затухания (A_min) определяется как разность между максимальным уровнем мощности оптического излучения на передаче и перегрузкой приемника.

Системный запас (М) учитывает изменение состава оптического кабеля за счет появления дополнительных ремонтных вставок, сварных соединений, а также изменения характеристик оптического кабеля, вызванных воздействием окружающей среды и ухудшением качества оптических соединителей в течение срока службы, и устанавливается при проектировании ВОСП исходя из ее назначения и условий эксплуатации оператором связи, в частности, исходя из статистики повреждения (обрывов) кабеля в зоне действия оператора.

Диапазон устанавливаемых значений системного запаса обычно в пределах 2-6 (дБ), что соответствует наиболее или наименее благоприятным условиям эксплуатации ВОЛС.

10.6. Реконструкция действующих магистралей на основе волоконно-оптических кабельных вставок

Другим достаточно эффективным способом реконструкции действующих магистралей связи это построение комбинированного тракта. Эта задача возникает в случае наличия по трассе магистрали водных преград или других препятствий делающих невозможным или нежелательным размещение промежуточного НРП в данном месте (например, при реконструкции тракта АСП К-60п, у которого длина усилительного участка, в среднем, 18 км, кабель может быть проложен по дну озера, реки и при разработке проекта реконструкции с организацией трактов ЦСП промежуточный НРП может попасть именно в водную преграду, что, безусловно, усложнит эксплуатацию магистрали).

Эта проблема может быть решена путем введения в состав линейного тракта основанного на металлическом кабеле участка ВОЛС, реализованной тем или иным способом. При этом протяженность подобной вставки может достигать нескольких десятков километров в зависимости от выбранного типа кабеля и аппаратуры преобразования электрических сигналов линейного спектра АСП или ЦСП в оптический диапазон и обратно.

Построение подобного рода систем выдвигает задачи разработки требований к аппаратуре преобразования, оптимизации ее по техническим и экономическим характеристикам, оценки предельных возможностей построения комбинированного тракта.

Основным типом аппаратуры подобного назначения являются электролитические модемы, предназначенные для использования на различных сетях связи, организованных по металлическим кабелям с применением как аналоговых, так и цифровых систем передачи различных ступеней иерархии. Модемы обеспечивают возможность организации линейного тракта системы передачи по постоянно (временно) проложенному ВОК на длине нескольких усилительных (регенерационных) участков или на длине участка ОУП-ОУП.

Основной принцип работы модемов, обеспечивающий высокий уровень унификации технических решений, обусловленных особенностями конкретного применения, состоит в непосредственной (линейной) модуляции источника оптического излучения линейным сигналом системы передачи. При этом за счет хороших дисперсионных свойств среды распространения (одномодовое оптическое волокно) и незначительных потерь, появляется возможность получить на приемной стороне практически неискаженный сигнал по сравнению с сигналом, подаваемым на вход модема, т. е. модем обеспечивает трансляцию сигналов практически любой формы по оптическому волокну и на значительные расстояния.

Модемы должны обеспечивать преобразование электрического линейного сигнала ЦСП с соответствующей скоростью передачи в оптический сигнал, передачей последнего по ВОЛС на длине волны 155 мкм и обратного преобразования оптического сигнала в линейный электрический сигнал с тем же кодом и скоростью передачи, При этом должна обеспечиваться трансляция сигналов телемеханики, участковой служебной связи (УСС) и постанционной служебной связи (ПСС).

Контрольные вопросы

1. Какие существуют качественные показатели функционирования цифровых трактов?

2. Какие причины, вызывают снижение качественных показателей цифровых трактов?

3. Что такое BBER?

4. Какие существуют причины возникновения межсимвольной помехи?

5. Поясните отношение сигнал/шум на входе решающего устройства для реального регенератора.