光纤网络设计

1、光纤通信网络西延高速公路光纤网络系统设计 学 院： 专 业： 姓 名： 学 号： 指导教师：2015年1月西延高速公路光纤系统网络设计一 西延高速公路概况西延高速公路南起西安绕城高速吕小寨立交，途经西安、咸阳、铜川、延安、三原、宜君、黄陵、洛川、富县、甘泉3市6县，止于延安市西北的河庄坪，全长299.85km。全线共有22座隧道（单洞），隧道总长27km，是世界罕见的黄土隧道群；各式桥梁369座，其中洛河特大桥高达152.9m，被称为“亚洲第一高墩大桥”；沿线设有收费站9处、服务区5处，配备有完善的交通、通讯及收费系统等设施。二 网络设计传输业务高速公路SDH传输系统中承载的业务及业务流向高速

2、公路SDH传输系统中承载的业务大概分为语音、数据和图像三大部分，下面将分别加以说明。21 语音业务语音业务主要包括业务电话(BT)、指令电话(CT)等。业务电话和指令电话提供语音交换和专线电话服务，要求实时性强，其业务的开展一般采用基于电路交换技术实现或基于包换技术实现。整个专用电话网采用接入网技术，在通信分中心设置接入网局端设备，其无人通信站设置为远端接入模块，负责话音、数据业务的接入。22 监控和收费数据传输业务监控数据是指监控设备的控制信号，主要指路段管理中心对外场监控摄象机云台发出的控制信号，通常采用的数据接口为RS一232。传输通路分为二级，第一级为监控外场设备至通信站的数据传输通路

3、，利用模拟视频光端机提供低速数据通道，第二级为通信站到路段监控中心数据传输通路，利用接入网的远端接入模块提供的低速数据通道。收费数据传输通路分为三级，第一级为收费车道至收费站，第二级为收费站至路段管理中心，第三级为路段管理中心至区域中心(即省高速公路收费管理中心，其传输通路不在本设计范围)。收费系统网络通常基于TCPIP技术组网，收费数据被封装到IP数据包中，在二层的网络结构组织上，一般采用以太网技术，网络互联采用数字电路专线。23 监控和收费图像传输业务监控系统在高速公路沿线设置一定数量的摄像机，各摄像机的图像和控制信号均要传至路段管理中心，外场监控摄像机的视频信号通过模拟视频光端机传输到相

4、应收费站，然后通过数字光传输系统传送到路段管理中心。收费系统在各收费站广场出口均设置摄像机，各摄像机的图像信号先传到相应的收费站，再传到路段管理中心。为便于视频图象的上传，减少网络带宽，同时要保证有足够的图象质量，视频图象采用MPEG一2压缩算法，视频数据流的带宽控制在2Mbps。三 光纤通信传输系统设计3.1 采用SDH方案的可行性分析SDH传输系统传输容量大、设备兼容性好、上下电路灵活、测试管理开销丰富、网管能力强、总体性能优于PDH。近几年SDH技术成熟、大量应用于工程实践，具有工程实践的可行性。据对市场的了解，目前同容量的SDH设备价格比PDH设备低，采用SDH方案替代PDH方案可节约

5、投资，取得较高的经济效益，具有较高的社会效益。3.2 SDH光通信的技术特点同步数字体系光同步传输网主要的特点是：1）采用同步复用方式和灵活的复用影视剧结构，避免了PDH从高速信号中分插低速信号需多次复用的过程，使业务上下非常方便，有利用容纳各种新的带宽业务的引入。2）网络具有标准的光接口，开方性标准光接口可满足多厂家产品环境，实现网络的横向兼容性，节约网络成本，有利于网络的后期管理。3）SDH帧结构中安排有丰富的开销比特有利于网络管理，故网络的运行、管理、维护能力强大、有利于新特性、新功能的开发。4）由于采用指针调整技术，SDH网络具有定时透明性，网络能在准同步环境下工作，其净负荷可以在不同

6、的岛之间传送而不影响业务质量，并有能力经受定时基准的丢失，网络性能比较PDH光通信系统有了很大的改善。3.3 SDH光传输系统方案的选择确定PDH的特点：1）PDH上下电路采用逐级分层、复接的方式实现，系统设备繁多、维护量大、对网络性能有不良的影响。2）PDH的各等级信号帧结构中，插入比特少，不能满足网络维护管理的要求，也不适应电信管网的要求。3）PDH光传输系统不具备光路上的横向兼容性。4）更高次群如继续采用PDH方式将难以实现。SDH的特点：1）SDH可以将不同体质的SDH信号采用复用、映射的方法在STM-1等级上进行兼容，实现高速率数字传输的统一标准。2）SDH上下电路方便。3）SDH网

7、络管理能力强大。4）光接口标准。5）系统构成简化，便于安装及维护。6）可实现PDH-SDH-PDH以及SDH-PDH-SDH的互通，还能支持ATM,适合向B-ISDN过渡和发展。3.4 重要参数计算3.4.1 最大色散系数的计算本设计光纤选择为G.652光纤，其色散波长范围1300nm到1324nm，故其最大色散系数其值小于3.5ps/(nm.km)，计算过程如下：3.4.2 等效功率代价机模分配噪声的计算光源为FP激光时，系统的色散功率代价主要来自码间干扰和模分配噪声，FP激光器的K值范围为0.40.7，本系统设计的误码率为p，Q=6.4，根据等效功率代价的计算式：其中，B线路信号速率（Mb

8、it/s）D：光纤色散系数（ps/nm.km）L：光纤长度：光源的均方根谱宽：脉冲均方根展宽值T：信号时隙宽带以及模分配噪声所产生的等效功率带价值计算式：等效功率代价：模分配噪声所产生的等效功率代价：3.4.3光通道最大色散DL的计算色散功率代价和传输距离、比特率、光谱宽带以及光纤色散系数等因素有关。为提高系统性能，加大系统工作余度，应严格限制功率代价所对应的光通道最大色散值。根据本设计的系统设计依据，对光通道最大色散DL的计算中的光源均方根谱宽值取为L-1.1系统光源的均方根谱宽最大值4nm。光通道最大色散值3.4.4 系统功率代价根据分析可以，功率代价为1dB,曲线上升功率增长很快，系统性

9、能恶化迅速，光功率代价增长太快，故本设计的系统代价取为小于1dB。、3.5 网络拓扑结构及系统保护配置方案的选择3.5.1 拓扑结构选择网络的物理拓扑反应了网络节点和传输线路的集合排列，对网络的效能、可靠性及经济型有很大的影响。网络的基本物理拓扑大体上有五类，即星形、树形、网孔形、环形、链形。星形特点：结构中设计通信的所有点中有一个特殊的点与其余的所有点直接连接相连，而其余点之间不能直接相连，这种网络结构具有综合的宽带管理灵活性，但是存在特殊点的潜在瓶颈问题和失效问题。树形特点：适合于广播式业务，不适合双向通行业务。网孔特点：很好的解决节点瓶颈和失效问题，任何点都有多种路由可选，可靠性高，但是

10、结构复杂，成本较高。综合以上到实践公路中，考虑地理特点、投资情况、线缆情况、网络传输信息量大小、信息传输实时性要求以及链形、环网形结构各自特点，本设计才有链形网络拓扑结构。通常采用的网络保护方式有设备保护、不同路由保护、数字交叉连接保护及环形网自愈保护等。在高速公路通信系统中，常用的两种网络保护方式是线路自动切换保护和自愈环保护。3.5.2 线路自动切换保护线路自动切换保护属于复用段保护。有1+1和1：1两种保护制式，适用于线形的网络结构。其基木工作原理是，当主工作系统发生中断或性能劣化到一定程度后，由系统倒换设备将信号自动转换至备用系统传输。保护切换时间很短，可在50 ms内完成，对所传输业

11、务几乎不产生影响。1)1+1方式1+1光保护系统切换方式原理SDH信号同时在工作与保护两个复用段上传输。也就是说，在发送端信号永久地连接(桥接)在工作段和保护段上。在接收端，复用段保护(MSPMultiple Segment Protection)模块监测从这两个段上接收到的信号状态，选择并接通其中更适合的信号。在1+1保护方式中，由于工作通路是永久地被桥接着，因此不可能提供未经保护的额外业务通路。这种保护方式可靠性高，但成本高。2)1：1方式1：1光保护系统切换原理在l：1方式中，正常工作时，无需对工作段进行保护，保护段可以用来传输额外的业务量。MSP模块监测和判定工作段上的信号状态，一旦出

12、现故障，立即通知发送端进行切换，这时保护段上额外的业务量将随之丢失。在这种方式中，保护段的工作容量可小于工作段的容量。由于l：1方式的保护通路可用于传送额外业务，因此系统效率高于1+1方式。由于高速公路通信系统传输的数据非常重要，特别是随着高速联网收费方式的逐步采用，为提高数据传输的可靠性，因此高速公路光传输系统的线路自动切换保护方式采用1+1方式。353 自愈环保护目前常用的环形网主要有单回路环形结构、双回路环形结构和隔站连接环形结构，隔站连接环形结构如图所示。隔站连接环形网是使用同一根光缆中的两根光纤构成一个环路，仅能对断纤故障进行保护，保护能力较弱。但由于所需设备较少，结构简单，比较适应

13、目前国内高速公路的发展现状，因此被一些路段上的通信系统所采用。从图中可以看出，在这种结构中，相邻两个站之间的信号传输必须沿环路绕行一周，使得整个链路的负荷大大增加，所以在网络设计时必须有所考虑。通常意义上的环形网要求各通信站在地理位置上要构成一个环路。单回路环结构是采用一根光纤组成链路进行双向传输；双回路环结构是采用两根光纤组成链路进行单向传输，两根光纤的传输方向固定且相反。一旦某处光缆被切断，即可切换传输方向，保证通信的正常进行。单回路环网络结构较为简单，所需设备的数量较少，但需要在同一方向上同时进行收发，设备较为复杂；而双回路环网络则相反，其保护能力和业务容量均强于单环网络。选用何种自愈保

14、护方式需综合考虑各站点的地理位置、网络的容量要求、网络的经济性和可靠性以及设备的实用化程度等因素，依据实际情况确定。高速公路通信系统的通信站是沿公路线状分布，所以在各路段上采用隔站连接环形网。由于所采用的光纤都是同缆光纤，因此以上两种结构只能对设备故障进行保护而无法保护断缆故障。354 网络保护方式的选择在高速公路通信传输系统中，特别是路段通信传输网络中，传输系统的可靠性并不会像公众通信网络中要求达到电信级的水准，在考虑传输系统的可靠性的同时，也要考虑到为获得高可靠性所要付出的成本。另外，在高速公路通信系统中，光缆一般敷设在高速公路路中央隔离带的管道中，因此光缆的运行环境相对来说比较好。综合以

15、上多种因素，西延高速公路光传输网络的网络保护方式采用隔站连接环形网自愈环保护方式。36 网同步3.6.1 网同步SDH设备的不同步或同步降质会引起数字信号的滑码、突发误码、相位突变、抖动或漂移等，会对数字信号带来损伤，从而网络上传输的业务造成不同程度的影响。SDH网元定时方式主要有外同步定时源、从接收的信号中提取定时和内部定时源3种方式。中从接收的信号中提取定时又可分为线路定时、环路定时和通过定时3种。外同步定时源方式是指SDH设备的同步定时信号由外部定时源供给(如Brrs)。线路定时是指SDH设备中所有发送的STMN信号都将从某一输入的STMN信号中提取定时信号。环路定时是SDH终端设备使用

16、的线路定时的种形式，即定时信号仅同步返回方向的输出光信号。在全省交通专用通信网联网后，西延高速公路光纤通信系统内各站设备同步于省高速公路监控通信中心BITS(大楼综合定时系统)的时钟源，定时信号从线路码流中提取；在交通专网未联网时，同步于西延通信网中数字程控交换机的时钟源。当光传输线路中同步时钟信号丢失时，各站设备将以保护模式维持同步状态。3.6.2 网络管理西延高速公路光纤通信系统目前共有9个网元。考虑到网络级网管的价格太高光纤通信系统可管的网元较少，使用网元级的网管已能完全满足西宝高速公路光纤通信系统的管理需要，故本设计采用网元级的网管，这样的选择比采用网络级网管具有更高的性价比3.6.3

17、 时钟配置3.6.3.1配置的考虑1）西延高速公路光纤通信系统网元不多，系统网络拓扑结构简单，此案有G.813网络单元时钟就可以满足要求。2）从经济方面，G.811和G.812价格较贵。3）从今后扩展方面考虑用G.813可以方面的配备GPS是全网主从同步方式。初期采用西安通信中心机内自激振荡器为时钟源，而西延高速各个通信中心时钟跟踪西安通信中心时钟，当今后容量扩大时，在各个大的中心再配置G.812时钟，全网蔡永红主从同步方式跟踪临近的G.812时钟。3.6.3.1 同步时钟要求1）频率准确度SDH设备时钟自由振荡时，输出频率准确度绝对值不大于4.6ppm。2）保持工作方式当外部定时源中段时，S

18、DH设备设备应能在24小时内仍能维持相对于外部定时中断瞬间的时钟频率，在这段时间末，指针频率同中断瞬时的指针频率相差不超过0.37ppm3）时钟带宽SDH设备时钟带宽为1-10Hz。4）同步时钟来源本设计SDH设备的定时基准从接受到的155Mb/s信号中提取。3.7 中继长度的计算采用ML或者SLM光源的中继段长度计算：Pt(最小发送功率) = -5dBmPr(接受灵敏度) = -34dBmPp（光通道代价）= 1dB（FC/PC接头损耗）= 0.5dB(光纤损耗包括接头损耗) = 0.4dB/km最大色散为185ps/nm,光缆富余度为0.1dB/kmLp（衰耗限制的中继段长度）= (（Pt

19、-Pr-2-Pm-Pp）/+Mc) = 48 kmLd(色散限制的中继段长度) = Dsr/Dm本设计采用的是G.652光纤，其零色散波长范围为1300nm1324nm,最大零色散斜率为0.093ps/(nm . nm . km)。当为12881339nm时，带入上式有Dm（最大色散系数）（3.5ps/(nm.km)）,所以Ld（色散限制的中继段长度）=52.8km。根据以上的计算，色散和衰耗都能满足的中继传输距离不大于48km。3.8 本设计光缆的选择3.8.1 本设计光缆要求光缆类型：G.652单模光纤。工作波长：工作正在1310nm窗口。光纤芯数：16芯。3.8.2 几何、光学特性要求（1）模场直径：9.5um左右。（2）包层外径：125um,幅度2um。（3）模场同心误差：小于等于1um。（4）包层不圆度：小于2%。3.8.3环境性能要求：光纤衰减温度特性：-2060度范围内无附加损耗。抗渗水性：在1525度温度下，1m高水头加到距光缆端头3m出的缆心24小时后，在此光缆端上无水渗出。浸水性能：当用浸水实验来检验外护层中的塑料防腐蚀外套的完整性时，在光缆浸水24小时后，防腐蚀外套的电气性能应满足随地绝缘在直流500v下达