Проектування та розрахунок ВОСП за критерієм надійності

Вихідними даними для проектування ВОСП є:

- схема організації зв’язку;

- технічні характеристики на апаратуру;

- протяжність ділянок регенерації;

- необхідна пропускна здатність (лінії передачі) в тому числі і на перспективу;

- необхідні показники надійності ВОСП.

На першому етапі проектування рекомендується виконання вимог технічної експлуатації для різних схем організації зв’язку, для чого може виникнути необхідність:

- визначення складу обладнання;

- розрахунок довжин регенераційних ділянок;

- розрахунок та проектування показників надійності;

- оцінка економічної ефективності заходів по підвищенню надійності;

- розрахунок запасних пристроїв (ЗІП) та їх розподіл;

- оцінка техніко-економічної ефективності реалізації варіантів проекту.

При проектуванні ВОСП з метою підвищення надійності, зменшення експлуатаційних та капітальних витрат, пов’язаних з розвитком на перспективу, рекомендується орієнтуватися на:

- використання оптичного кабелю (ОК) тільки з одномодовими оптичними волокнами (ОВ) навіть на ділянках мережі з малою пропускною здатністю;

- застосування ОК з резервними ОВ;

- застосування більш високошвидкісної апаратури лінійного тракту в порівнянні з вихідними даними в частині необхідної пропускної здатності.

- ВОСП із спектральним розподілом.

Також, при проектуванні ВОСП рекомендується організовувати однопролітні ВОЛП на місцевих первинних мережах; однопролітні ділянки ВОЛП між двома сусідніми мереженими вузлами на внутрішньо зонових та магістральних первинних мережах, застосовуючи для цього, при необхідності, оптичні підсилювачі (ОП). Використовувати гнучке ущільнення інформації в залежності від призначення та можливостей: часового, спектрального та просторового способів.

Можливість застосування оптичних підсилювачів у складі апаратури кінцевого лінійного тракту дозволило уникнути проблем з електроживленням не обслуговуючого регенераційного пункту (НРП) ВОСП. З досвіду впровадження перших поколінь високошвидкісних ВОСП СЦІ, доцільно також по можливості уникати побудови НРП при проектуванні ВОСП у зв’язку з необхідністю його охорони від несанкціонованого доступу.

При проектуванні мереж зв’язку на перспективу (за пропускною здатністю) весь період розвитку розбивається на окремі етапи розрахункових періодів розвитку. Оптимізація складу технічного обладнання здійснюється за результатами аналізу ефективності витрат на кожному з цих етапів з врахуванням фактору часу.

Можливості ОК забезпечують при побудові ВОСП великий запас пропускної здатності, що дозволяє виключити в процесі оптимізації мережі зв’язку облік великих періодів розвитку. Тобто, при проектуванні мережі зв’язку на період розвитку вибирається ОК з таким типом оптичних волокон, який зможе забезпечити найбільшу пропускну здатність ВОСП до кінця проектного періоду розвитку.

Для ВОСП СЦІ висуваються вимоги до приймально-передаваючої апаратури по забезпеченню можливості використання обладнання різних виробників в межах одної регенераційної ділянки (поперечна суміжність), що призвело до необхідності специфікації параметрів оптичного стику.

Вимоги по забезпеченню поперечної суміжності для ВОСП СЦІ передбачають визначений допуск на розбіжність величин окремих параметрів оптичного стику. Тому, у випадках використання в межах одної ділянки регенерації обладнання одного виробника при проектуванні може виникнути невиправданий системний запас, тобто проектуючи протяжність ділянки буде суттєво нижча, ніж можуть дозволити можливості проектного обладнання.

Особливістю при проектуванні ВОСП СЦІ є також необхідність забезпечення робочого діапазону довжин хвиль передавача. Це пов’язано з виконанням умови при якій довжина ділянки регенерації за загаса.анням, яка досягається при відповідних значеннях рівня потужності на передачі, чутливості приймача та сумарного затухання потужності оптичного випромінювача в лінії, не обмежувалися довжиною ділянки регенерації за широкосмуговостю. У свою чергу шорокосмуговість досягається при відповідних значеннях швидкостей передавання, дисперсії оптичного волокна та ширини спектру випромінювання передавача.

Іншою відмінністю ВОСП СЦІ є те, що в результаті постійного довершення засобів волоконної та інтегральної оптики, оптоелектронної технології, виробники пропонують для реалізації системи оптичних підсилювачів та системи спектрального розподілу каналів, які суттєво розширюють можливості використання обладнання на мережі.

На сьогодні розроблено та серійно випускаються підсилювачі трьох типів та апаратура лінійного тракту з вбудованими оптичними підсилювачами.

При проектуванні багатоканальних ВОСП з високою пропускною здатністю та великою протяжністю необхідно враховувати додаткові фактори, які обмежують довжину ділянки регенерації, та врахування яких призводить до іншого підходу у виборі довжин хвиль та типів оптичних кабелів.

Важливою особливістю при проектування ВОСП СЦІ є необхідна величина комплексного показника надійності К_г, тобто необхідна якість функціонування мережі в процесі експлуатації. Це обумовлено більш жорсткими діючими нормами на параметри цифрових каналів та трактів, які організуються на сучасних засобах зв’язку та потенційно великою пропускною здатністю транспортної системи, яка організовується на основі ВОСП СЦІ.

 

 

При проектуванні ВОСП висувають наступні вимоги до надійності:

- коефіцієнт готовності – К_г;

- строк служби;

- середній час відновлення – Т_в.

При проектуванні повинна проводитись оцінка показників надійності на відповідність вимогам за надійністю, які задаються в технічних вимогах, шляхом побудови структурної схеми надійності ВОСП та розрахунку коефіцієнта готовності та середнього часу відновлення з урахуванням резервування за вихідними даними про надійність складових частин обладнання отриманих від постачальника.

При проектуванні ВОСП в технічних вимогах повинні бути визначенні вимоги щодо організації технічного обслуговування, ремонту та способів відновлення апаратури ВОСП.

Повинні бути встановленні та записані в контракті на поставку обладнання умови післягарантійного обслуговування та ремонту апаратури на протязі строку служби. Необхідне проведення техніко-економічного обґрунтування варіантів післягарантійного обслуговування та ремонту загальної кількості апаратури, яке передбачене контрактом.

При проектуванні повинен бути проведений вибір системи забезпечення відновлення апаратури, для чого:

- проводиться розрахунок кількості зон обслуговування ЗІП апаратури ВОСП для заданого Т_в та місць розміщення ЗІП;

- склад ЗІП визначається для кожної зони обслуговування за вихідними даними, які повинні бути надані постачальником: склад обладнання, розрахункові показники безвідмовності плат та блоків обладнання, період поповнення запасних частин, вартість плат та блоків обладнання при постачанні ЗІП.

Характерним для сучасних ВОСП є великий об’єм передаючого трафіка, тобто великий об’єм втрат у випадку його простою, та велика протяжність між сусідніми пунктами ліній передачі, тобто збільшується час під′їзду для усунення несправностей.

Задача забезпечення необхідної якості функціонування ВОСП може бути вирішена за рахунок збільшення Т_о – середнього часу напрацювання на відмову, різними методами резервування та/або за рахунок зменшення Т_в – середнього часу відновлення оптимізацій рішень шляхом організації технічної експлуатації вже на етапі проектування ВОСП.

При вирішенні задач оптимізації за критерієм надійності краще використовувати вираз для коефіцієнту простою, тоді:

 

(12.2)

 

де λ=1/Т_о - інтенсивність дійсних відмов для періоду нормальної експлуатації.

У сучасних ВОСП з метою підвищення надійності використовується структурне резервування на окремих блоках апаратури та ділянках лінії передавання (мультиплексорних секціях). При цьому може застосовуватися загальне резервування або роздільне резервування.

При загальному резервуванні об’єкту технічної експлуатації за схемою резервування 1:n, коефіцієнт простою К_Пр, без врахування інтенсивності відмов пристроїв переключення на резерв, визначається як:

(12.3)

 

При проектуванні високошвидкісних ВОСП довжина ділянки регенерації за затуханням (L_α) та довжина ділянки регенерації за широкосмуговістю (L_в) розраховуються окремо, оскільки причини, які обмежують граничні значення L_α і L_в незалежні.

В загальному випадку необхідно розрахувати дві величини довжини ділянки регенерації за загасанням:

L_{α макс} – максимальна проектована довжина ділянки регенерації;

L_{α мін} – мінімальна проектована довжина ділянки регенерації.

Для оцінки величини довжини ділянки регенерації можуть використовуватися наступні вирази:

, (12.4)

 

(12.5)

 

(12.6)

 

де А_макс, А_мін (дБ) – максимальне та мінімальне значення перекриваючого затухання апаратури ВОСП, яке забезпечує до кінця строку служби значення коефіцієнту помилок не більш 1×10^-10;

α_ок (дБ/км) – кілометричне затухання в оптичних волокнах кабелю;

α_нз (дБ) – середнє значення затухання потужності оптичного випромінювання нероз′ємного оптичного з′єднювача на стику між будівельними довжинами кабелю на ділянці регенерації;

L_буд (км) – середнє значення будівельної довжини кабелю на ділянці регенерації;

Α_рз - затухання потужності оптичного випромінювання роз′ємного оптичного з′єднювача;

n – число роз′ємних оптичних з′єднювачів на ділянці регенерації;

σ (пс/нм х км) – сумарна дисперсія одномодового оптичного волокна;

Δλ (нм) – ширина спектра джерела випромінювання;

В (МГц) – широкосмуговість цифрових сигналів, які передаються по оптичному тракту;

М_α (дБ) – системний запас ВОЛП по кабелю на ділянці регенерації.

Якщо за результатами розрахунків отримано: L_В < L_{α макс}, то для проектування необхідно вибирати апаратуру або кабель з іншими технічними даними (Δλ, σ), які забезпечують великий запас за шорокосмуговостю на ділянці регенерації. Розрахунок повинен бути проведений знову. Критерієм кінцевого вибору апаратури або кабелю буде виконання співвідношення:

 

 

з врахуванням необхідної пропускної здатності ВОСП на перспективу розвитку.

Максимальне значення перекриваючого затухання (А_макс) визначається як різниця між рівнем потужності оптичного випромінювання на передачі та рівнем чутливості приймача для ВОСП на базі ЦСП ПЦІ. Мінімальне значення перекриваючого затухання (А_мін) визначається як різниця між рівнем потужності оптичного випромінювання на передачі та рівнем перевантаження приймача для ВОСП на базі ЦСП ПЦІ.

Рівні чутливості та перевантаження приймача визначаються відповідно як мінімальне та максимальне значення рівня потужності оптичного випромінювання на вході приймача, при яких забезпечується коефіцієнт похибок не більший за 1×10^-10 до кінця строку служби апаратури для ВОСП на базі ПЦІ та СЦІ.

Розрахунок довжини ділянки ВОСП на базі багатоканальних ВОСП також проводяться за двома критеріями: максимально перекриваюче затухання і максимально дозволена хроматична дисперсія.

Розрахунок за першим критерієм проводиться за формулою для максимальної довжини елементарного кабельної ділянки (ЕКД - кабельна пасивна ділянка, яка не містить активних елементів – оптичних підсилювачів та регенераторів) ВОСП:

 

, (12.7)

 

де L_екд (км) – довжина елементарного кабельної ділянки;

Р_s (дБм) – рівень оптичної потужності на передачі;

m – кількість оптичних каналів;

NF (дБ) – фактор шуму оптичного підсилювача;

С/Ш (дБ) – мінімально допустиме відношення потужності оптичного

сигналу до потужності шуму на вході приймача ВОСП;

k – кількість ЕКД на ділянці регенерації ВОСП;

М_дп (дБ) – запас на додаткові втрати за рахунок дисперсії та нелінійних викривлень в ОВ;

Р_ASE (дБм) – підсилене спонтанне випромінювання, підведене до входу оптичного підсилювача, та визначається як:

 

(12.8)

 

де h=6,626·10^-34 (Вт·с²) – постійна Планка;

с= 2,998·10¹⁷ (нм/с) – швидкість світла у вакуумі;

λ (нм) – довжина хвилі в третьому вікні прозорості (1529...1565);

Δf (Гц) – шорокосмуговість цифрового сигналу, який передається по оптичному каналу (при розрахунку визначають Δf-f_r – тактова частота цифрового сигналу).

Вираз враховує накопичення оптичних шумів за рахунок проміжних оптичних підсилювачів.

Розрахунок допустимої хроматичної дисперсії проводиться за методикою:

1. Вихідним параметром є допустиме розширення оптичних імпульсів (D_доп) по відношенню до тактового інтервалу цифрового сигналу для даної швидкості передачі (СТМ-N).

2. За відомою довжиною регенераційної секції L_РС=k·L_екд визначається внесена при цьому дисперсія:

 

 

де σ_λв – коефіцієнт дисперсії оптичного волокна для λ_max робочого діапазону довжин хвиль, пс/нм·км, при цьому:

 

 

де σ_п – паспортне значення коефіцієнта дисперсії волокна, вказане для

λ_п=1550 нм;

S (пс/нм²·км) - коефіцієнт нахилу дисперсійної характеристики ОВ;

λ_в = λ_макс (нм) – максимальна довжина хвилі робочого діапазону

довжин хвиль;

К_пмд=0,5 (пс/км^0.5) – коефіцієнт поляризаційної модової дисперсії.

Поляризаційна модова дисперсія розраховується тільки для швидкості СТМ-64.

3. Якщо виконується умова D_макс ≤ D_доп, компенсація не потрібна.

4. Якщо D_макс > D_доп, то необхідна компенсація дисперсії. Для цього визначається різниця:

 

Повну компенсацію дисперсії до нуля проводити недоцільно, оскільки компенсатор вносить значне затухання, тому компенсація відбувається до величини ΔD.

5. Виходячи з отриманої величини ΔD, визначається необхідний тип компенсаційного волокна та його параметри: коефіцієнт дисперсії σ_кв (пс/нм·км) та коефіцієнт внесеного затухання α_кв (дБ/км), після чого визначається довжина компенсую чого волокна:

де Δλ_ф (нм) – смуга пропускання оптичного фільтру в нм.

В оптимальному випадку вона вибирається рівною ширині оптичного спектру сигналу, який для цифрового сигналу СЦІ береться рівним 2f_т, де f_{т –} тактова частота цифрового сигналу.

6. Втрати на затухання, які вносяться компенсатором дисперсії:

7. Отримане затухання розподіляється на кількість проміжних підсилювачів, рівне k-1. В залежності від величини α_к розподіл може розповсюджуватися на частину підсилювачів:

8. Отримане α_кп перевіряється згідно умови:

де А_екд (дБ) – загасання ЕКД;

Р_{вих п} (дБм) – значення рівня вихідної потужності проміжного підсилювача;

Р_{вх мін} (дБм) – мінімальний дозволений рівень вхідної потужності проміжного підсилювача.

Якщо ця умова виконується, зменшення довжини ЕКД не потрібне, якщо не виконується, то необхідно зменшити довжину ЕКД.

Необхідні показники якості та надійності для місцевої первинної мережі, внутрішньозонової первинної мережі та магістральної первинної мережі з протяжністю L_м (без резервування) наведено в таблицях 12.1,12.2,12.3.[17].

Таблиця12.1

Показники надійності для місцевої первинної мережі L_м = 100 км

Показник надійності	Канал ОЦК	ПЦП	Обладнання лінійного тракту
Коефіцієнт готовності	> 0.9996	> 0,9997	0.998
Середній час між відмовами, год	> 14000	> 15512	> 5000
Час відновлення, год	< 4.24	< 4,24	див. примітку

 

Таблиця12.2

Показники надійності для внутрішньозонової первинної мережі L_м = 250 км

Показник надійності	Канал ОЦК	ПЦП	Обладнання лінійного тракту
Коефіцієнт готовності	> 0.9996	> 0.99966	0.9949
Середній час між відмовами, год	> 11480	> 12720	> 1960
Час відновлення, год	< 4.24	< 4.24	див. примітку

Таблиця12.3

Показники надійності для магістральної первинної мережі L_м = 1800 км

Показник надійності	Канал ОЦК	ПЦП	Обладнання лінійного тракту
Коефіцієнт готовності	> 0.997	> 0.99762	0.965
Середній час між відмовами, год	> 1597.22	> 1769.77	277.78
Час відновлення, год	< 4.24	< 4.24	див. примітку

Примітка: для обладнання лінійних трактів на всіх мережах повинно бути:

- час відновлення НРП – Т_{в нрп} < 2,5 год (в тому числі час під‘їзду 2 години);

- час відновлення ОРП та ОП – Т_{в орп}<0,5 год;

- час відновлення оптичного кабелю (ОК) – Т_{в ок} <10 год (в тому числі і час під‘їзду 3,5 годин).

Середня кількість відмов ОК за рахунок зовнішніх пошкоджень на 100 км кабелю в рік (згідно з статистичними даними пошкоджень на коаксіальних кабелях з досвіду експлуатації на магістральній первинній мережі України) ν=0,34, тоді інтенсивність відмов ОК за 1 годину на довжині траси ВОСП L визначається як:

(12.9)

 

При існуючій в експлуатації стратегії відновлення, яка починається з моменту виявлення відмови (аварії), коефіцієнт простою (неготовності) К_п^а визначається за формулою (12.2), а коефіцієнт готовності за формулою (12.1).

При довжині магістралі L не відповідній L_м середній час між відмовами визначається як:

(12.10)

Середній час між відмовами мережених трактів N-го порядку по відношенню до середнього часу міх відмовами каналу ОЦК визначається як:

 

(12.11)

При паралельному з‘єднанні за надійністю елементів системи передачі (наприклад, лінійних трактів) маємо в випадку, коли коефіцієнти простою їх рівні К_п, для резервування за схемою n+m:

 

(12.12) (3.12)

 

де n – число робочих елементів;

m – число резервних елементів;

λ_о– інтенсивність відмов одного елементу системи передачі;

λ_р – інтенсивність відмов пристрою переключення на резерв.

Для кільцевої структури зв‘язку, тобто коли λ_р=0 та m=n=1, з (12.12) отримаємо:

(12.13)

Для послідовного з‘єднання за надійністю елементів системи передачі (наприклад, ділянок магістралі або окремого обладнання), сумарний коефіцієнт простою визначається за формулою (12.2), в якій К_пі – коефіцієнт простою окремих елементів системи передачі, які визначаються у відповідності до (12.1).

Для випадків експлуатації ВОСП на основі оптимальної стратегії відновлення, що починається з виявлення передвідмовного стану об′єкту технічної експлуатації, для інженерних розрахунків показників надійності необхідно використовувати вираз:

(12.14)

де t₁ – час під′їзду.