11.1. Анализ причин повреждения КМ и основные параметры СЭЛСС

11.2. Основные критерии оптимизации СЭЛСС

11.3. Анализ условий развертывания временной волоконно-оптической кабельной вставки

11.4. Методика контроля характеристик ВОКВ

Мероприятия по оптимизации и повышению эффективности работы системы эксплуатации линейных сооружений связи (СЭЛСС) можно разделить на две большие группы: организационные, заключающиеся в улучшении системы и структуры эксплуатационной службы кабельных магистралей (КМ), повышении квалификации обслуживающего персонала, что особенно важно в структуре эксплуатации ВОЛС, и т. п.; технические, состоящие в разработке и внедрении новых методов и устройств, обеспечивающих улучшение эксплуатационных и технических характеристик подсистем магистральной связи.

Выбор критериев оптимизации СЭЛСС и разработка технических мероприятий должны базироваться на основе статистических исследований повреждений КМ.

11.1. Анализ причин повреждения КМ и основные параметры СЭЛСС

Основной задачей СЭЛСС является обеспечение бесперебойной работы трактов и каналов при заданном качестве передачи информации и минимальных эксплуатационных расходах. Данная задача решается в условиях воздействия на ЛСС различных дестабилизирующих факторов, приводящих к возникновению отказов, ухудшающих качество передачи информации.

Отказы и неисправности на ЛСС могут возникать в любой момент времени, образуя случайный процесс - поток отказов.

Одним из основных параметров оценки качества работы КМ является плотность повреждений (отказов) [3, 20], приходящихся на 100 км трассы в год:

n=l00N/КL ,                                                                     (11.1)

где N - число отказов на магистрали связи длиной L за К лет.

Значение п может определяться раздельно для отказов:

- всех видов, возникающих в системе ЛСС;

- приводящих к перерыву связи;

- вызывающих неисправности;

- только линий связи;

- только станционных устройств;

- различных подсистем ЛСС и т. д.

Данное разделение при определении плотности отказов обусловлено необходимостью определения параметров надежности тех или иных подсистем служб эксплуатации.

Кроме плотности повреждений, важной характеристикой эффективности и качества работы КМ является интенсивность отказов (средняя плотность отказов на 1 км/ч):

,                                                             (11.2)

где 8760 - количество часов в году; 100 - протяженность трассы (км), на кото­рой определяется значение.

Значения интенсивности потока отказов на отдельных участках магистрали могут существенно различаться в зависимости от условий эксплуатации, кроме того, существует зависимость Λ_ср, от времени года.

Для однотипной КМ, протяженностью L, при постоянных условиях эксплуатации интенсивность потока отказов

.                                                             (11.3)

Для КМ, состоящей из участков с различными средними значениями интенсивности отказов Λ_ср1, Λ_ср2,.. Λ_срi интенсивность потока отказов

                                                            (11.4)

Вероятность безотказной работы за время t определяется, как показывают экспериментальные исследования [20], показательной функцией

                                                              (11.5)

отсюда получим, что плотность распределения случайной величины - времени T безотказной работы - подчиняется закону Пуассона:

                                                     (11.6)

Отказы на КМ могут возникать как в результате внешних воздействий, так и от внутренних причин. Проведем анализ статистических данных распределения причин повреждений (в %) от их общего числа.

По данным статистики, простой связи из-за повреждения кабелей, выраженный в канало-часах, составляет значительный процент по сравнению с простоем из-за станционных повреждений (таблица 11.1) [20].

Таблица 11.1 Причины повреждений КМ первичной сети

На рисунке 11.1 представлена диаграмма статистики простоев линейных трактов магистральных JIC за 11 лет, при этом протяженность ЛC, организованных по симметричным кабелям (СЛС) Lслc=1100 км; по коаксиальным (КЛС) Lклс=440 км и протяженность BOJIC Lволс= 480км [3].

Ясно, что количество повреждений техногенного характера (работа сторонних организаций, воровство кабелей и т. п.), которые составляли не более 30 % всех повреждений механического характера, в настоящее время приближаются к 50 %, причем тенденция их роста сохраняется на протяжении последних 11 лет (рисунок 11.1).

Процесс устранения отказов на КМ характеризуется среднем временем восстановления Т_в, которое складывается из среднего времени обнаружения неисправности t_ср.o., среднего времени определения характера и места повреждения t_ср.изм. и среднего времени ремонта t_ср.рем. - В случае повреждения кабельной линии или НРП к этим составляющим добавляется еще время, необходимое для прибытия аварийной бригады t_ср.тр. на место повреждения линии. Таким образом,

.                            (11.7)

Уравнение (11.7) позволяет определить основные пути уменьшения времени восстановления повреждений кабелей связи и КМ. Для КМ время восстановления много меньше времени безотказной работы T_o из этого следует, что λ = 1 /Т₀ и что восстановление исправного состояния КМ происходит в течение случайного времени t_ср.в. распределенного по показательному закону с параметром μ=1/T_{ср в} и плотностью

                                                               (11.8)

Параметр μ называют производительностью подсистемы восстановления работы кабельных магистралей (равен числу устраняемых отказов в единицу времени).

Рисунок  11.1. Статистика простоев линейных трактов

Причины повреждения ВОЛС идентичны повреждениям на металлических линиях. Особенно это касается повреждении механического характера, Установлены также и отличия, связанные с принципами распространения сигнала по волокну, определяемые параметрами оптических волокон.

Одним из основных параметров надежности КМ является коэффициент готовности К_г, который определяется как отношение суммарного времени исправной работы КМ к общему времени наблюдений [17,20]:

Оценочный расчет, выполняемый на стадии проектирования, показателей качества и надежности магистралей первичной сети при различной протяженности тракта (таблицы 11.2- 11.3) является целевым [17,21].

Среднее значение интенсивности отказов за год λ на 100 км кабельной линии (11.3):

λ_СЛС= 0,62,                 λ_КЛС= 0,91,                 λ_ВОЛС= 0,5.

Полученные значения интенсивности отказов различны ввиду различной протяженности КМ и, как следствие, различного количества простоев рассматриваемых магистралей.

Средние значения коэффициента готовности (К_г) реальных кабельных магистралей с учетом среднего времени восстановления (таблицы 11.2-11.3) следующие:

К_ГСЛС=0,994, К_ГКЛС =0,996,  Кгволс=0,996.

Полученные значения в сравнении со значениями коэффициента готовности с учетом соответствующих длин магистралей (таблица 11.2-11.3) могут быть пересчитаны путем вычисления числа повреждений, приходящихся на 100 км трассы КМ, и умножения на соответствующую длину. На местной первичной сети для оборудования линейного тракта: Кгслс⁼ 0,987, Кгклс- 0,989, Кгволс⁼ 0,992; на магистральной первичной сети для оборудования линейного тракта: Кгслс= 0,86, Кгклс = 0,864, К_гволс= 0,862.

Сравнивая расчетные средние значения коэффициентов готовности с рекомендованными и полученными на основе анализа статистической модели, можно сделать вывод, что реальные значения достаточно далеки от рекомендуемых, что и вызывает необходимость поиска путей повышения значений последних. Очевидно, что К_г JIC может быть повышен за счет сокращения времени восстановления (простоя) T_в.

Таблица 11.2 Местная первичная сеть (L_МСП=200 км)

Таблица 11.3 Магистральная первичная сеть (L_MCП=12500 км)

11.2. Основные критерии оптимизации СЭЛСС

Используемые в практике эксплуатации мероприятия, направленные на сокращение времени восстановления работоспособности трактов, можно разделять на две группы. К первой относятся мероприятия, направленные на развитие сети связи для обеспечения возможности создания обходных направлений и коммутации трактов поврежденного направления на резервные. Реализация этих мероприятий обусловлена общим планом развития сети региона. Ко второй группе можно отнести организационные и технические мероприятия, которые предполагают использование современных методов и оборудования, обеспечивающих временное резервирование трактов систем передачи на поврежденном участке. Техническая реализация временного резервирования обычно осуществляется на основе использования временных кабельных вставок на поврежденных участках, а также построением системы резервирования (если это возможно) по участкам ОУП-ОУП.

Особое значение приобретает разработка мероприятий по сокращению времени проведения ремонтно-восстановительных работ на магистралях, где проведена реконструкция с организацией трактов цифровых систем передачи по металлическим кабелям. Это объясняется существенным ростом активного оборудования в связи с сокращением длин участков регенерации по сравнению с длинами усилительных участков, что неизбежно приведет к снижению надежности тракта. Рост числа необслуживаемых регенерационных пунктов неизбежно приводит к необходимости построения СЭЛСС по многоканальному принципу.

Наиболее широко применяемый способ, который позволяет существенно сократить время восстановления связи на поврежденном участке, — использование временных вставок. Предполагается, что временные вставки должны развертываться на длине усилительного участка или участка регенерации, при этом время полного развертывания с переводом всех действующих трактов систем передачи на кабель вставки должно быть в два, три раза меньше, времени восстановления магистрального кабеля по постоянной схеме.

Основные требования, предъявляемые к системе восстановления на основе временных вставок:

- многократное использование вставки (большое число циклов развертывания);

- возможность быстрого подключения преобразовательного оборудования как к кабелю вставки, так и к аппаратуре линейного тракта;

- возможность развертывания вставки в сложных условиях пересеченной местности при наличии различного рода переходов (автомобильные и железные дороги, реки, овраги и пр.);

- обеспечение работоспособности вставки в течение необходимого и достаточного времени на проведение требуемых ремонтно-восстановительных работ;

- сохранение всех характеристик тракта, на котором используется вставка, в пределах требуемых нормами значений.

11.3. Анализ условий развертывания временной волоконно-оптической кабельной вставки

В настоящее время известны и наиболее широко используются в практике эксплуатации несколько типов временных волоконно-оптических кабельных вставок (ВОКВ) [3], предназначенных для развертывания на длинах усилительных участков УУ или участков регенерации УР трактов аналоговых или цифровых систем передачи, работающих по металлическим кабелям. Их отличие состоит в особенностях развертывания, подключения, а также протяженности сегмента вставки, что сказывается на скорости развертывания и оптико-электрических параметрах.

Прежде всего, рассмотрим вариант использования ВОКВ протяженностью 3,5 км. Эта вставка позволяет перекрывать всю протяженность участков систем передачи: К-3600, РСМ-480, LS-34, LA- 140x2, а при последовательном соединении двух ВОКВ и К-1920 [3]. Вставка оборудована временными муфтами, позволяющими производить оперативное подключение кабеля вставки к ЭОМ. Размер муфт выбран таким, что она вместе с кабелем вставки может быть протянута в канал кабельной канализации или трубу на переходах через железные дороги и шоссе. Вставка оборудована специальным размоточным устройством, которое позволяет осуществлять многократные циклы ее развертывания. Одним из основных недостатков подобной вставки является ее вес, который, в зависимости от типа кабеля вставки лежит в пределах 130-150 кг, что позволяет производить развертывание вставки только с автомашины.

Другим вариантом реализации временной вставки является многоэлементная ВОКВ, Она состоит из нескольких, как правило до 8, отрезков волоконно-оптического кабеля, протяженностью до 1000 м, который размещен на небольших барабанах. При этом волокна оптического кабеля оконцованы разъемами типа FC/PC, а соединение волокон осуществляется в специальном герметизированном контейнере. Вес одного барабана с кабелем не превышает, как правило, 52-54 кг, что позволяет производить развертывание вставки вручную. Однако наличие достаточно большого числа соединителей не только ухудшает параметры вставки, но и значительно увеличивает время ее развертывания.

Следующий вариант исполнения ВОКВ аналогичен первому, но протяженность кабеля вставки соответствует протяженности строительной длины магистрального ВОК. Размоточное устройство такой вставки может быть установлено на автомашину, с которой и производится развертывание.

В процессе развертывания любого из типов ВОКВ кабель вставки испытывает различного рода механические нагрузки, а также происходит многократное соединение оптических волокон либо с аппаратурой, либо друг с другом в составных ВОКВ. Это приводит к необходимости разработки методики контроля параметров ВОКВ, оценки ее пригодности к дальнейшему использованию, а также определения срока службы вставки в целом и отдельных ее элементов.

11.4. Методика контроля характеристик ВОКВ

С точки зрения проведения контроля параметров ВОКВ целесообразно остановиться на измерении и наблюдении за следующими основными характеристиками, изменение которых может возникать в процессе  эксплуатации ВОКВ:

- затухание в оптических волокнах кабеля вставки и его изменение, происходящее в процессе многократного развертывания;

- потери в разъемных соединениях и его изменение при многократном соединении;

- возможное возникновение неоднородностей в волокнах (микротрещин), возникающих в результате многократных изгибов и растяжений при развертывании ВОКВ.

Свет, проходящий по волокну, претерпевает экспоненциальное затухание, т. е. величина Р потока в волокне после прохождения волокна длиной х:

                                      (11.9)

где коэффициент затухания α является мерой затухания; он может быть разделен на коэффициенты поглощения α_а и рассеяния α_s.

Следует подчеркнуть, что α_а  и α_s  должны быть постоянны по всей длине волокна. На практике это условие в большинстве случаев выполняется. Исключения ограничены локальными отклонениями.

Рассеянный свет распространяется во все стороны и покидает волокно почти полностью, но небольшая часть рассеянного света распространяется по волокну обратно и лежит в пределах возможного угла распространения. Распространяющийся в обратном направлении свет составляет долю от общего рассеянного света, определяемую коэффициентом

                                                         (11.10)

где n_о - максимальный коэффициент преломления сердцевины волокна; NA - его числовая апертура; Ω - соответствующий пространственный угол в волокне. Считается, что обратное рассеяние не превышает рассеяния в других направлениях (для n_о =1,46; NA =0,20; Ω=6,8 10^-3; G=-22дБ).

В градиентных волокнах G еще меньше (около -24дБ), так как интенсивность света вне сердцевины волокна уменьшается и поддается расчету для случая чисто релеевского рассеяния. Для кварцевых и стеклянных волокон это условие выполняется не всегда, поэтому выражение (11.2) дает лишь оценку.

Интервал измерения в волокне для гауссовоких импульсов Δх зависит от длительности импульса измерителя

                                                              (11.11)

где Δt - половина длительности измерительного импульса; с - скорость света в вакууме;

 групповой коэффициент преломления сердцевины волокна.

Исходя из (11.9)-(11.11) сигнал обратного рассеяния на входе волокна:

                                       (11.12)

где первый множитель (в квадратных скобках) соответствует всему рассеянному на интервале х + Δх  свету, второй - составляющей обратного рассеяния, третий - затуханию отраженного потока излучения, распространяющегося в обратном направлении.

Затухание в прямом направлении зависит от условий подключения. На обратном пути при рассеянии возбуждаются все моды, в том числе концевые волны, поэтому, для получения распространения всех мод, близкого к стационарному, необходима определенная минимальная длина волокна. Равномерное возбуждение мод на входе волокна при его подключении также происходит не всегда, точные измерения по методу обратного рассеяния на первых метрах не производятся. Затухания в прямом и обратном направлениях через несколько метров могут считаться одинаковыми.

Из (11.4) можно рассчитать затухание (потери D_s ,дБ) рассеянного обратно потока излучения, приведенное ко входу волокна:

             (11.13)

Затухание рассеянного обратно луча составляет около 45дБ (NA = 0,2; Δt = 100 нc; a_s =0,5 дБ/км; λ₀= 0,85 мкм).

Остаток динамического диапазона прибора может быть использован для измерения затухания. Если передающий лазер отдает 2 мВт, приемник имеет чувствительность 10^-9Вт (отношение сигнал/шум = 20 дБ), полоса 5 МГц, то предельный динамический диапазон составляет 93 дБ. Отражение от линз, двукратное прохождение волокна и погрешности юстировки соответствуют потерями в 8-10 дБ, поэтому реальный динамический диапазон прибора может быть принят равным 80 дБ. С помощью прибора могут исследоваться параметры волокон с затуханием 17,5 дБ в каждом направлении. Если импульс передатчика для улучшения разрешения по длине уменьшается до 10 нc, затухание рассеянного обратно луча в соответствии с (11.13) уменьшается до 55 дБ, Приемник должен в этом случае иметь полосу 50 МГц, при этом динамический диапазон прибора уменьшается до  75 дБ. Создание приемника с таким динамическим диапазоном - довольно сложная задача, поэтому в случае работы короткими импульсами без подавления шумов могут исследоваться только короткие волокна, что и требуется при измерении волокон оптических вставок. Дисперсия мод в волокне при измерениях должна быть пренебрежимо мала. Если это условие не выполняется, измерительный импульс расширяется с длиной волокна и оценка затухания в нем в соответствии с (11.13) дает другое значение, поэтому волокна со ступенчатым профилем не могут исследоваться импульсами длительностью 10 нc. Из этих соображений в приборе для обычных измерений используется импульс длительностью 100 нc. При этом могут непосредственно исследоваться волокна с потерями не более 15 дБ, при больших потерях измерения могут производиться с шумоподавлением.

Измерение потерь в волокнах вставки. Если на измерительном стенде, использующем метод обратного рассеяния, производятся измерения в точках х₁ и x₂ нормального волокна без искажений, то из (11.13 ) получим:

Коэффициент затухания в интервале измерений должен быть постоянным. Если в этом интервале имеются скачки затухания, расчет по последней формуле недопустим.

Учитывая сказанное выше, проведение контрольных измерений вносимых волокнами вставки потерь и их изменение в процессе эксплуатации вставки по методу обратного рассеяния необходимо производить при использовании нормализующей длины [3]. Это обеспечит возможность использования зондирующих импульсов малой длительности, что в свою очередь приведет к высокому значению разрешающей способности (рисунок 11.2).

Рисунок 11.2 Схема измерения потерь в кабеле вставки

Рисунок 11.3 Рефлектограмма волокна кабеля вставки

Измерения проводились на длине волны 1,3 мкм, два мощных отраженных импульса соответствуют отражениям от разъемных соединений, подключенных нормализующих длин. По рефлектограмме можно определить потери в этих местах.

Контрольные вопросы

1. Как определяется плотность повреждений линейных сооружений связи?

2. Каковы причины повреждений КМ первичной сети?

3. Какие составляющие среднего времени восстановления?

4. Перечислите параметры надежности КМ.

5. Что такое коэффициент готовности  КМ?

6. Какие мероприятия, направленные на сокращение времени восстановления работоспособности трактов?

7. Как определяется интенсивность отказов?