Проектирование междугородной магистрали «Липецк – Курск» с использованием волоконно-оптического кабеля

По основной области рабочих длин волн и величине дисперсии в этой области одномодовые оптические волокна подразделяются на классы и подклассы (базовый подкласс – для которого была первоначально создана рекомендация, в остальных подклассах учитываются последние достижения в области разработки ОВ).

Основные параметры оптических волокон приведены в таблице 1.

В данной курсовой работе, руководствуясь исходными данными λр,=1,4мкм выбираем ОВ следующего класса:

• стандартные (SSF) волокна – соответствуют Рек. G.652, длина волны нулевой дисперсии в районе 1,31 мкм (на длине волны 1,55 мкм достигает значения 17…20 пс/нм∙км);

 

Таблица 5.1 – основные параметры оптических волокон

 

Параметры	Класс ОВ по Рек. МСЭ
	G. 652	G. 653	G. 654	G. 655
Оптическое волокно Диаметр модового поля, мкм
на λ=1310 нм	(8,6…9,5)±0,7	–	–	–
на λ=1550 нм	–	(7,5…8,5)±0,7	(9,5…10,5)±0,7	(8,0…11)±0,7
Коэффициент затухания, дБ/км
на λ=1310 нм	≤0,35	–	–	–
на λ=1550 нм	≤0,22	≤0,22	≤0,20	≤0,22
на λ=1625 нм	–	–	–	≤0,25
Коэффициент дисперсии, пс/нм∙км		≤3,5	≤20	1…10
Наклон характеристики дисперсии, пс/(нм2∙км)	0,093	0,085	0,070	0,058
Длина волны отсечки, нм	1260	1270	1530	1480
Оптический кабель Коэффициент затухания, дБ/км на λ=1310 нм	≤0,40
на λ=1550 нм	≤0,35	≤0,35	≤0,22	≤0,35
на λ=1625 нм	≤0,40			≤0,40

 

 

5.2. Расчет основных параметров оптического волокна

 

5.2.1. Расчет коэффициента затухания ОВ

 

Коэффициент затухания ОВ определяется по формуле   (5.1)

 

α=αp+αуф+αик+αпр,    (5.2)

где

αp≈0,75/λ4     (5.3)  

 

αp – составляющая, учитывающая потери на релеевское рассеяние;

λ – рабочая длина волны, мкм;

 

 (5.4)

 

αуф – составляющая, учитывающая потери в ультрафиолетовой области рабочего диапазона;

 

αик≈dec[(-21,9/λ)+12,4]   (5.5)  

 

αик – составляющая, учитывающая потери в инфракрасной области;

 

αпр – составляющая, учитывающая потери в примеси.

Инженерный расчет величины этой составляющей затруднен. Основной вклад в нее дает гидроксильная группа. В этом случае можно считать:

 

 

 

αp≈0,75/1,44≈0,75/3,842≈0,1952 дБ/км

αуф≈10[(2/1,4) /2154 ≈0,0125 дБ/км

αик≈dec[(-21,9/1,4)+12,4] ≈0,0006 дБ/км

 

α=0,1952+0,0125+0,0006+0,03=0,24 дБ/км

 

5.2.2.  Расчет коэффициента дисперсии

 

В стандартных ОВ (Рек. G.652) коэффициент дисперсии определяется по формуле:

    (5.6)  

где S0 – наклон дисперсионной кривой в точке нулевой дисперсии,

пс/(нм2∙км);

  λ0 – длина волны нулевой дисперсии, нм;

  λ – рабочая длина волны, нм.

 

 

 

6.   РАСЧЕТ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ, МАССЫ И МЕХАНИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО КАБЕЛЯ

6.1.  Расчет геометрических размеров ВОК

Диаметр ВОК с многомодульным сердечником определяется по формуле (6.1):

DK=DС+2∆об+2∆ПИ +2∆п+2∆бр+2∆ш,   (6.1) 

 

где DС – диаметр сердечника;

 ∆об – толщина внутренней оболочки, ∆об=1 мм

 ∆п – толщина подушки;

 ∆бр – толщина брони;

 ∆ш – толщина наружной оболочки (шланга). ∆ш=1,6 мм

∆ПИ – толщина поясной изоляции,    ∆ПИ =0,5 мм

 

DC =Dом (А+1),      (6.2)  

 

Где

 (6.3)  

 Θ – угол скрутки;

 DОМ – диаметр оптического модуля DОМ=3 мм;

 n =6 – число элементов в повиве;

 

Диаметр центрального силового элемента

 

  (6.4)

Расчет 

 

 

Рис. 6.1   Конструкция сердечника с одноповиной структурой.

 

6.2   Расчет массы волоконно-оптического кабеля

 

Масса волоконно-оптического кабеля слагается из составляющих его элементов, которые могут быть определены с помощью следующих формул [1].

 

 

6.2.1.  Масса оптических волокон

 

   (6.5)  

 

где Мс-о – масса сердцевины и оболочки, кг/км;

 Мпов – масса первичного покрытия ОВ, кг/км;

 nов =6 – число ОВ в кабеле;

 rоб=77,5 – радиус кварцевой оболочки ОВ, мм;

 ρк=2,4 г/см3, ρпов =1,1 г/см3– плотность кварца и покрытия, г/см3;

 Ку – коэффициент укрутки Ку=1;

Δпов=250 мм – толщина покрытия ОВ

 

 

6.2.2.  Масса центрального силового элемента из стеклопластика

 

,    (6.6)

 

где Dc – диаметр стеклопластикового стержня, мм;

 ρс – плотность стеклопластика, ρс=1,85 , г/см3

 

, 

6.2.3.  Масса трубок оптических модулей

 

 (6.7)  

 

где Dом=3 - диаметр трубки ОМ, мм;

 ∆ом =0,35 – толщина стенки трубки, мм;

 ρом =0,95 – плотность материала трубки, г/мм3;

 Ку =1 – коэффициент укрутки трубок;

 n=6 – количество ОМ в кабеле. 

 

6.2.4.  Масса гидрофобного заполнителя

 (6.8)  

где Sв – внутренняя площадь поперечного сечения ОМ или паза

поперечного сердечника, мм2;

 Sов – площадь поперечного сечения ОВ, мм2;

 ρГЗ – плотность гидрофобного заполнителя, г/см3;

      n=3 – количество ОВ в оптическом модуле.

 

 

 

6.2.5.  Масса промежуточной оболочки

  (6.9) 

 

где Dвт – внутренний диаметр оболочки, мм;

 

Dвт=Dс+ Dл=13,8+0,35=14,15 мм

 

 ∆об =1 – толщина оболочки, мм;

 ρоб =0,92 – плотность материала оболочки (полиэтилен), г/см3;

 Ктф≈1,04 – коэффициент, учитывающий технологические факторы для

пластмассовой оболочки.

 

 

6.2.6.  Масса защитного шланга

  (6.10)  

 

где Dвн =18,15 – диаметр под шлангом, мм;

 ∆шл =3 – толщина шланга, мм;

 ρбр =0,93 – плотность материала (полиэтилен СП) шланга, г/см3;

 Ктф≈1,1 – коэффициент, учитывающий технологические факторы

 

 

 

 

6.2.7.  Общая масса ВОК

 

 

6.2.8. Расчет допустимого растягивающего усилия

 

Допустимое растягивающее усилие конструкции кабеля можно определить по формуле [10]:

    (6.11)  

где δ =0,025 – коэффициент допустимого продольного растяжения конструкции  кабеля;

 Ki – коэффициент, учитывающий расположение i-го элемента относительно оси конструкции кабеля;

 

Ei – модуль продольной упругости материала i-го элемента, Па

Si – поперечное сечение i-го элемента конструкции кабеля, м2.

Ki=0 – для элементов, не испытывающих механич. напряжение (обычно ОВ);

Ki=cos ψi – для элементов, испытывающих напряжение и расположенных по спирали с углом ψi (обычно для оптических модулей ψ=30…35о);

Ki=1 – для элементов, параллельных оси кабеля, испытывающих механическое напряжение.

 

 

 

F=7.45кН, что удовлетворяет условию прокладки и эксплуатации по допустимому растягивающему усилию >2,7 кН (величина значения растягивающего усилия для выбранного способа прокладки кабеля).

 

6.3.  Выбор типа кабеля

 

Оптическое волокно подразделяется на два основных вида: одномодовое и многомодовое волокно. На магистралях SDH используется одномодовое оптическое волокно, т.к. оно предназначено для передачи информации на большие расстояния с высокой скоростью передачи сигнала. Распространение одной моды устраняет межмодовую дисперсию и обеспечивает высокую скорость передачи в окнах прозрачности 1,3 мкм и 1,55 мкм. В зависимости от назначения и условий применения ОК конструкция имеет свои особенности.

Основной элемент ОК  оптическое волокно (ОВ) – изготовленное из высококачественного кварцевого стекла (основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличие от меди), обеспечивающее распространение световых сигналов.

Конструктивные и оптические характеристики ОВ определены рекомендациями G.650, G.651, G.652, G.653, G.654, G.655 МСЭ-Т.

Выбираем тип кабеля ОКМТ. Волоконно-оптический кабель связи для прокладки в пластмассовый трубопровод (ОКМТ). Применяется при прокладке в пластмассовый трубопровод методом задувки. Этот современный метод основан на принципе поддержания вводимого оптического кабеля (ОК) во взвешенном (динамическом) состоянии при продвижении его в кабелеводе за счет интенсивного (турбулентного) воздушного протекаемого потока. Взвешенное состояние кабеля существенным образом снижает контактирование кабеля с поверхностью кабелевода. Одновременно с этим продуваемый поток воздуха, проявляя аэродинамические свойства, создает силы, приложенные к кабелю в направлении его прокладки.

 

 

Рисунок 6.2 – Конструкция волоконно-оптического кабеля

 

 

Кабель волоконно-оптический ОКМТ

Применение 

 

Магистральный диэлектрический для прокладки в пластмассовый трубопровод и эксплуатации при температуре окружающей среды от минус 40°С до плюс 60°С 

 

 

 

 

 

Технические характеристики	Параметры
Количество оптических волокон в кабеле, шт.	2 – 144
Максимальное количество оптических волокон в одном модуле, шт	12
Тип оптических волокон,по рекомендации ITU-T…	G.651,G.652, G.655
Коэффициент затухания, дБ/км, не более,на длине волны:	λ=1310 нм    0,36  λ=1550 нм   0,22
Температура эксплуатации, ° С	- 60 …+70
Температура монтажа, °С, не ниже	-10
Нормированная cтроительная длина, км, не менее	4,0
Расчетная масса кабеля, кг/км	114 – 488
Допустимое растягивающее усилие, кН	1,5 - 2,7

 

Особенности:

 

• Cрок службы - не менее 25 лет
• Модульная конструкция
• Полностью выполнен из диэлектрических материалов
• Не восприимчив к воздействию электрических полей
• Наличие высокопрочных защитных покровов (арамидные нити), центрального силового элемента (стеклопластиковый пруток)
• Стоек к вибрационным нагрузкам
• Возможно изготовление с внешней оболочкой из полиэтилена, не распространяющего горение, трекингостойкого
• Возможно изготовление строительных длин до 6 км
• Маркировка погонного метра с точностью не хуже 1%.

 

7.  расчет длины элементарного кабельного участка

 

7.1.  расчет длины элементарного кабельного участка по затуханию

 

В соответствии с нормами при проектировании, строительстве и приемке в эксплуатацию магистральных и внутризоновых кабельных волоконно-оптических линий передачи задаются значения номинальной, минимальной и максимальной длины элементарного кабельного участка (ЭКУ) ВОСП.

 

Номинальная длина ЭКУ – такая протяженность ЭКУ, при которой заданная норма на вероятность ошибки при передаче информационных цифровых сигналов выполняется для всех 100% равновеликих ЭКУ, даже если все их строительные длины имеют максимальный коэффициент затухания, а все сварные соединения ОВ – максимально допустимые потери:

    (7.1)  

где W – энергетический потенциал ВОСП, дБ;

 Ар – общие потери на всех разъемных соединениях на ЭКУ, дБ;

 Ан max – максимальное значение потерь неразъемного соединения, дБ;

 Аэз – эксплуатационный запас энергетического потенциала для

 аппаратуры и кабеля, дБ;

 αmax – максимальное значение коэффициента затухания, заданное в

 технических условиях (спецификациях) , дБ;

 lс – средняя строительная длина кабеля, км.

 

 

Минимальная длина ЭКУ – такая протяженность ЭКУ, при которой уровень оптического сигнала на приеме не превышает заданный для 50% равновеликих ЭКУ:

    (7.2)  

где ∆А – динамический диапазон уровня приемного оптического сигнала,

дБ;

 Анс – среднее значение потерь неразъемного соединения, дБ;

 αср - среднее значение коэффициента затухания ОВ, дБ/км.

 

 

Максимальная длина ЭКУ – такая протяженность ЭКУ, при которой норма на вероятность ошибки при передаче информационных цифровых сигналов выполняется для 99,86% равновеликих ЭКУ: