Разработка сети радиорелейной связи на участке Краснодар-Туапсе

В настоящем дипломном проекте, согласно заданию разработана сеть радиорелейной связи на участке Краснодар-Туапсе.
В эксплуатационной части рассмотрено текущее оборудование на участке СКЖД Краснодар-Туапсе. Рассмотрены основные параметры и отличительные характеристики оборудования радиорелейных линий передачи.
В технической части произведен сравнительный анализ оборудования и частотных диапазонов. Произведен выбор для проектируемого участка.
Оценка 5, презентация приложена. ...

Введение
1 Эксплуатационная часть
1.1 Обзор и анализ состояния существующей технологической связи на участке Краснодар-Туапсе
1.2 Специфика проектируемого участка
1.3 Обзор и анализ перспективных телекоммуникационных систем и технологий.
1.4 Обзор оборудования РРЛ зарубежных производителей
2 Техническая часть
2.1 Выбор частотного диапазона РРЛ связи
2.2 Выбор и обоснование оборудования цифровой системы связи
2.3 Выбор топологии сети
3 Расчетная часть
4 Экономическая часть
4.1 Определение капитальных затрат
4.2 Определение текущих затрат
5 Безопасность и экологичность решений проекта
5.1 Охрана труда
5.2 Охрана окружающей среды
Заключение
Список использованных источников
Приложение

Количество незанятых оптических волокон стремительно падает, в то время как потребность в емкости постоянно возрастает. Системы спектрального уплотнения DWDM решают частично решают эту проблему, однако стоимость оборудования и его эксплуатации очень велика. Прокладка нового оптического кабеля параллельно существующему также затратна и требует длительных перерывов в работе железной дороги.
Помимо проблемы емкости также становится вопрос о резервировании магистральных каналов. Это позволяет существенно повысить надежность и отказоустойчивость функционирования единой магистральной цифровой сети связи. Потребность в магистральных каналах связи со стороны коммерческих организаций возрастает с каждым годом. Из-за отсутствия свободной емкости в кабеле ОАО «РЖД» теряет потенциальную прибыль.
Для р ешения озвученных проблем на участке Северо-Кавказской железной дороги Краснодар-Туапсе дипломным проектом предусматривается построение радиорелейной сети связи.

После принятия в 2005 году FCC ряда регламентирующих документов и введения облегченной схемы лицензирования появились первые радиосистемы Е-диапазона. Европейские регулирующие организации беспроводной связи последовали за США, и в 2005 году Европейская конференция администраций почт и телекоммуникаций (CEPT) приняла план освоения частотных диапазонов, аналогичный американскому. В 2006 году Европейский институт стандартизации в области телекоммуникаций (ETSI) опубликовал технические правила работы аппаратуры на частотах 71–76, 81–86 и 92–95 ГГц. Эти правила соответствовали требованиям ЕС и разрешали коммерческое использование в Европе беспроводной аппаратуры Е-диапазона. Е-диапазон состоит из трех частотных полос – 71–76, 81–86 и 92–95 ГГц (рисунок 2.1), причем наиболее активно осваиваютсяпервые две полосы. Рисунок 2.1 – Частотные диапазоныТакое распределение частот имеет свои достоинства. Во-первых, суммарная ширина первых двух частотных полос в 10 ГГц значительно больше любой другой доступной полосы частот, используемой в системах беспроводной связи. Она в 50 раз больше спектра всех видов сотовой связи и значительно шире всех связных СВЧ-диапазонов. Во-вторых, при распределении частот Е-диапазона, включающего два канала по 5 ГГц, не происходит деления на полосы, как в случае более низкочастотных СВЧ-диапазонов. Такая ширина канала, в конечном счете, ограничивает объем данных, которые он способен пропустить. Благодаря широкой полосе Е-диапазон достаточен для передачи данных со скоростью 1 Гбит/с посредством простейших схем модуляции, например, двухпозиционной фазовой манипуляции (BPSK). При более сложных схемах модуляции скорость передачи в полнодуплексном режиме может достигать 10 Гбит/с.Поскольку в отличие от узкого канала необходимость сжатия данных при передаче отсутствует, аппаратная реализация систем связи в Е-диапазоне может быть относительно простой. В частности, в ряде случаев достаточно модемов с модуляцией низкого порядка, нелинейных усилителей мощности, приемников с прямым преобразованием и других несложных компонентов. Это позволяет снизить стоимость системы, не ухудшая ее функциональные параметры и надежность. Так, схемы с частотной манипуляцией (FSK) или двухпозиционной фазовой манипуляцией в полосе 5 ГГц легко обеспечивают передачу данных со скоростью до 2 Гбит/с. Поскольку простые схемы модуляции не требуют высокой линейности усилительных трактов в трансиверах, то усилители мощности передатчика могут работать в режиме максимальной выходной мощности. А большая выходная мощность наряду с высоким коэффициентом усиления антенны обеспечивает высокую излучаемую мощность, что позволяет компенсировать возможные потери передачи и делает системы Е-диапазона сравнимыми по характеристикам с СВЧ-системами связи "точка-точка".Не менее важное достоинство Е-диапазона заключается в возможности существенного снижения габаритов антенных систем, обеспечивающих, тем не менее, формирование узкой диаграммы направленности. Помимо удешевления за счет меньших размеров более миниатюрные антенны испытывают гораздо меньшую ветровую нагрузку, что весьма ощутимо сказывается на стоимости системы связи. На дальность связи в миллиметровом диапазоне значительное влияние оказывают затухание на молекулах воды, кислорода, а также погодные факторы (рисунок 2.2). Рисунок 2.2 – Характеристики поглощения радиоволн в атмосфереВ СВЧ-диапазонах до 38 ГГц атмосферное затухание не превышает 0,3 дБ/км. За подъемом в районе 23 ГГц следует сильное затухание на 60 ГГц, обусловленное поглощением радиоволн молекулами кислорода. На частоте 60 ГГц ослабление достигает 14 дБ/км, что существенно ограничивает дальность передачи радиоволн. На частотах выше 100 ГГц начинают сказываться другие эффекты молекулярного поглощения (в том числе на молекулах воды), ограничивающие эффективность распространения сигналов.Окно относительной прозрачности лежит в диапазоне 70–100 ГГц. Здесь атмосферное затухание составляет около 1,5 дБ/км, что близко к затуханию в традиционных СВЧ-диапазонах. В результате становится возможным передавать радиосигналы на значительные расстояния 5–10 км. Отметим, что в случае сильного дождя (интенсивность 25 мм/ч) затухание сигнала в Е-диапазоне достигает 10 дБ/км (рисунок 2.3). Рисунок 2.3 – Затухание радиоволн из-за дождяМеждународным союзом по телекоммуникациям ITU на основании многолетних наблюдений составлены карты однотипных зон выпадения осадков в различных районах мира. Эти карты помогают проектировщикам при установке систем связи в различных регионах мира учитывать интенсивность и годовую норму осадков. Бытует мнение, что по надежности связи системы мм-диапазона сопоставимы с системами связи на основе атмосферных оптических линий. Однако одно из достоинств беспроводной связи на частотах Е-диапазона – слабая зависимость от тумана и облачности. При плотности густого тумана около 0,1 г/м3 с видимостью 50 м ослабление сигнала составляет всего лишь 0,4 дБ/км. Противоположная ситуация возникает при высокоскоростной оптической передаче информации в свободном пространстве. Затухание сигнала при оптической передаче в условиях сильного тумана может достигать 200 дБ/км. Столь малое затухание в Е-диапазоне объясняется тем, что размеры частиц тумана значительно меньше длины волны распространяемого сигнала, равной ~3–5 мм, и в результате они не вызывают сильного рассеяния радиоволн. Аналогично, на функционирование систем связи мм-диапазона практически не влияет наличие в атмосфере пыли, песка и других мелких частиц, поскольку их размеры существенно меньше 3 мм и они "невидимы" для беспроводных систем Е-диапазона. Слабая загруженность мм-диапазона, возможность выделения широких полос частот (до 5 ГГц), упрощенная процедура выделения частот во всех странах мира делает этот диапазон уникальным для построения беспроводных сетей, а также каналов "точка-точка" (радиорелейных линий). Кроме того, свойственное данному диапазону быстрое затухание радиоволн делает обязательным применение антенн с узкой диаграммой направленности, что устраняет проблему интерференции различных источников сигнала и упрощает задачу частотного планирования (как технически, так и административно).Сегодня в большинстве стран мира использование мм-диапазона радиоволн осуществляется без лицензирования или по упрощенной (уведомительной) процедуре. В Российской Федерации лицензированию подлежат системы связи во всех полосах частот, включая мм-диапазон. Однако, учитывая необходимость быстрейшего развертывания сверхвысокоскоростных сетей и каналов связи, Государственная комиссия по радиочастотам (ГКРЧ) при Министерстве информационных технологий и связи РФ 15 июля 2010 года приняла решение № 10-07-04-1 (2) "Об упрощении процедуры выделения полос радиочастот 71–76 ГГц, 81–86 ГГц и 92–95 ГГц…..". В решении отмечается, что указанные полосы радиочастот являются одними из перспективных участков радиочастотного спектра, предназначенных для создания радиорелейных линий связи небольшой протяженности.Аппаратная часть радиорелейных линий (РРЛ) E-диапазона реализована по классической схеме дуплексного трансивера. В состав системы входит модем, Up/Down-конвертор, малошумящий приемный усилитель, усилитель мощности и дуплексный фильтр (рисунок 2.4). Волноводный фланец дуплексного фильтра подсоединен непосредственно к антенне.Рисунок 2.4 – Общая структура трансивера Е-диапазонаТаким образом, вся активная и пассивная части радиосистемы размещены на антенной мачте и выполнена в виде моноблока уличного расположения. В составе РРЛ в диапазоне 71–86 ГГц как правило используют осесимметричные двухзеркальные антенны Кассегрена небольшого диаметра (30–60 см). Конструктивно антенны состоят из основного параболического зеркала, вспомогательного гиперболического зеркала и облучателя. Облучатель расположен в фокусе вспомогательного гиперболического зеркала. Такая конструкция повторяет конструкцию оптических телескопов, предложенных Кассегреном в 1672 году. Но в отличие от оптической конструкции, принцип работы двухзеркальной антенны заключается в преобразовании сферического волнового фронта электромагнитной волны, излучаемой источником, в плоский волновой фронт в раскрыве антенны в результате последовательного переотражения от вспомогательного и основного зеркал. Двухзеркальные антенны применяются в СВЧ-диапазоне при большом (100 и более) соотношении диаметра основного зеркала антенны к длине волны. К достоинствам этого типа антенн можно отнести:– очень узкую диаграмму направленности; – высокий коэффициент усиления (таблица 2.1); – возможность минимизации потерь в волноводном тракте за счет размещения облучателя на вершине основного зеркала, а не в его фокусе;– высокий коэффициент использования поверхности основного зеркала антенны.Таблица 2.1 – АнтенныДиаметр антенны, смКоэффициерт усиления, дБУгол главного лепестка ДН, градусов31430,862500,4Благодаря широким рабочим полосам (до 5 ГГц) высокие скорости стали достижимы без сложных сигнально-кодовых конструкций. Так, производители радиорелейных линий (РРЛ) в E- диапазоне в составе своего оборудования используют модемы со схемами модуляции от BPSK до 16-QAM. При высокой скорости модуляционных символов этого вполне достаточно для получения скорости передачи данных 1 Гбит/с. Кроме удешевления конструкции модема, применение простых типов модуляции повышает достоверность приема информации, поскольку растет расстояние между возможными положениями модуляционных символов на диаграмме Грея (рисунок 2.5). Это означает увеличение системного усиления. Например, применение модуляции QPSK по сравнению с 256 QAM эквивалентно увеличению мощности на 20 дБ.Рисунок 2.5 – Диаграмма ГреяАппаратура каждого производителя различается по способу реализации, составу интерфейсов и по техническим характеристикам блока окончания радиотракта. Например, оборудование может поддерживать синхронные интерфейсы Е1, STM-1 несколько интерфейсов Ethernet; отличаться наличием встроенного коммутатора и систем управления. Как правило, интерфейсное окончание модемов большинства РРЛ работает по принципу Ethernet-медиаконверторов с фиксированной скоростью на сетевом интерфейсе 100 Мбит/с или 1 Гбит/с. Есть оборудование, позволяющее переключать скорость интерфейсов с 1000 до 100 Мбит/с при осадках для увеличения усиления системы. В любом случае скорость передачи данных через сетевой интерфейс равна скорости передачи данных в радиоканале. Это позволяет переложить функции обеспечения качества услуг (QoS) на внешнее по отношению к РРЛ каналообразующее оборудование, что также снижает стоимость оборудования в Е-диапазоне и всего решения в целом. Однако ряд производителей встраивает коммутатор второго уровня в свою аппаратуру, предоставляя оператору более удобный режим управления ресурсами. Встроенный коммутатор используется как основной элемент системы резервирования, позволяя без дополнительной аппаратуры строить сети с кольцевой топологией. Основное отличие оборудования различных производителей в Е-диапазоне заключается в аппаратной реализации выходных узлов трансивера. Это наиболее дорогая часть трансивера, которая в основном и определяет цену всей линии связи. Дело в том, что сегодня не существует массово доступных чипсетов этого диапазона, и каждый производитель использует свою технологию. Соответственно характеристики радиоканала у оборудования разных производителей существенно отличаются. В частности, разброс системного усиления оборудования различных производителей составляет от 170 до 189 дБ. В последние годы практически все ведущие производители беспроводного оборудования начали разработки и выпуск аппаратуры радиорелейных систем в миллиметровом диапазоне радиоволн (60–100 ГГц) Радиорелейная микроволновая линия E-диапазона – это полнодуплексная система с частотным разделением каналов. Следовательно, для работы одной линии связи требуется одна пара частот. В E-диапазоне одна несущая выбирается в полосе 71–76 ГГц, другая – в полосе 81–86 ГГц. Расстояние между несущими в 10 ГГц вполне достаточно для работы дуплексного фильтра приемопередатчика. Работа на столь высоких частотах позволяет практически не учитывать интерференцию электромагнитных волн, отраженных от препятствий в зоне распространения сигнала. Например, радиус первой зоны Френеля для расстояния между антеннами 5 км на частоте 70 ГГц не превышает 1,2 м (таблица 2.2) – для сравнения, на частоте 2,4 ГГц он превысит 6 м. Кроме того, антенны для аппаратуры "точка-точка" E-диапазона формируют очень узкую диаграмму направленности – около 0,5°. Эти особенности существенно облегчают планирование сети микроволновой связи, прежде всего в крупных городах и промышленных центрах. Таблица 2.2 – Зона Френеля для частоты 70 ГГцДлина линии связи, кмМинимальный просвет, м10,5820,8251,3101,8 Зоны Френеля – это ряд концентрических эллипсоидов, большая ось которых совпадает с прямой между двумя антеннами. Первая зона Френеля – это эллипсоид, причем суммарное расстояние от любой точки поверхности которого до передатчика и приемника на половину длины волны превышает длину пути прямого распространения света. Радиус первой зоны Френеля, максимальный строго посредине между антеннами, означает минимально допустимое расстояние от любой точки прямой между двумя антеннами до препятствий. На практике, для нормальной работы радиолинии должно быть свободно 0,7 первой зоны Френеля. Диаметр первой зоны Френеля рассчитывается по формуле (2.1): D=17,32*L/4F (2.1)где L – расстояние между антеннами, км; F – рабочая частота, ГГц.При планировании сети или отдельного пролета для расчета коэффициента доступности необходимо учитывать климатическую зону, в которой придется работать. Сильный разброс максимальной длины пролета внутри дождевого региона зависит от технических характеристик конкретной аппаратуры. Кроме использования в масштабных опорных сетях оператора связи, микроволновые линии с успехом применяются как резерв для оптоволоконного соединения в районах повышенной сейсмической активности, неконтролируемых участках прокладки кабельной трассы (рисунок 2.6). Рисунок 2.6 – Резервирование оптического кабеляМикроволновые линии также идеально подходят в качестве "вставки" в оптоволоконную магистраль при преодолении водных препятствий. 2.2 Выбор и обоснование оборудования цифровой системы связиВ главе 2.1 были подробно описаны сравнительные достоинства Е-диапазона в радиорелейных линиях. Определив частоты работы оборудования на участке Краснодар-Туапсе перейдем к выбору оборудования связи.Важным моментом, предшествующим планированию, сети является выбор оборудования. Особое внимание следует уделить общей энергетике системы. Но немаловажную роль играют и сервисные возможности – такие как автоматическое отключение портов трафика основного канала при превышении заданного порога ошибок. Это необходимо для корректной работы внешних коммутаторов, которые при отсутствии несущей от РРЛ переведут трафик на резервное направление. Очень важно наличие удаленного управления и мониторинга. Также следует обратить внимание на рекомендованное производителем минимальное расстояние между узлами. В связи с сильным затуханием сигнала мм-диапазона, вариация уровня сигнала в приемнике в зависимости от дальности связи может лежать в диапазоне 40–90 дБ. Поэтому для ее компенсации могут оказаться недостаточными динамический диапазон автоматической регулировки усиления приемника и автоматической регулировки мощности передатчика. В результате, учитывая стремление производителей оптимизировать работу аппаратуры под максимальное расстояние, на дистанции до 100–200 м приемник будет критически перегружен.Из представленных в пункте 1.4 решений только оборудование Alcatel Lucent и NEC работает в Е-диапазоне. Однако малая дальность связи этих систем систем затрудняет построение магистральной сети. Железная дорога является тактически важным объектом РФ, поэтому для обеспечения стратегических и экономических интересов страны рекомендовано использование продукции отечественных производителей. С этой точки зрения, а также исходя из технических характеристик, существенно превосходящих аналогичные показатели зарубежных систем, оптимальным выбором будет радиорелейная система РРС-1000 CRPI.РРС-1000-CPRI – первая отечественная радиорелейная система, работающая в диапазонах миллиметровых длин волн 40.5-43.5 ГГц Q-band) и 71-76 / 81-86 ГГц (E-band) с интерфейсом CPRI. Радиомост РРС-1000-CPRI предназначен для высокоскоростного соединения (1228,8 Мбит/с) блоков обработки базовых частот с удаленными выносными радиочастотными блоками.CPRI (Common Public Radio Interface) – интерфейс между блоком обработки базовых частот и выносным радиочастотным блоком. Это дает возможность провайдерам беспроводной передачи данных использовать в работе оборудование разных производителей.CPRI позволяет использовать разветвленную архитектуру сети, где радиочастотный блок подключается к базовой станции посредством оптического кабеля, а каждый последующий радиоблок подключается к базовой станции через уже существующий (топологии: цепь, кольцо, дерево, точка-точка).Такая архитектура сети уменьшает затраты сервис-провайдеров, так как не требует установки дополнительных базовых станций в удаленных точках сети. Базовая станция может располагаться в аппаратной оператора связи (где созданы все необходимые условия для установки такого класса оборудования), а радиоблоки посредством интерфейса CPRI устанавливаются и подключаются в любом необходимом месте сети оптическим кабелем.Области применения радиорелейной системы PPC-1000-CPRI:–соединения базовых станций LTE, WiMAX и WiFi с высоким коэффициентом доступности;– опорные скоростные сети операторов связи, в том числе мобильной телефонии;– резервные линии связи для оптоволокна (ВОЛС);– защищенная беспроводная связь;–беспроводные каналы связи в сложной электромагнитной обстановке.РРС-1000-CPRI полностью удовлетворяет стандартам, разработанным в США Federal Communication Comission и в Европе European Telecommunications Standards Institute для гигабитных линий миллиметрового диапазона. Передача ведется с модуляцией QPSK. Этот тип модуляции позволяет с одной стороны использовать эффективно частотный ресурс и обеспечить 1 бит/с на Гц, с другой – передавать данные на большие расстояния. Именно модуляция QPSK используется для передачи телевидения из космоса со спутников.Пример построения сети представлен на рисунке 2.7.Рисунок 2.7 – РРЛ сеть связиРадиорелейные станции РРС-1000-CPRI имеют функцию SNMP-администрирования, и могут управляться по Интернету из центральной диспетчерской оператора связи. Встроенные средства самодиагностики РРС-1000-CPRI позволяют оценивать работоспособность моста и сигнализировать о возможных неисправностях в удаленном режиме до того, как это сказывается на качестве связи. Например, повышение или понижение температуры выше критической, снижение уровня сигнала (антенну развернуло), понижение питающего напряжения и т.д. Ремонтная бригада будет направлена на место уже с результатами оценки неисправности, что способствует скорейшему восстановлению линии без обрыва канала связи.Радиомосты РРС-1000-CPRI не являются сетевыми устройствами и не требуют настройки. Функционально они подобны длинному отрезку кабеля: информационный поток, поступивший на вход одного из приемопередатчиков, появляется на выходе противоположного. Такой канал связи с точки зрения оператора полностью эквивалентен оптоволоконному кабелю, проложенному между точками установки радиомоста.РРС-1000-CPRI могут эксплуатироваться при температуре от -50°C до +60°C (-40°F to +122°F) и не требуют никакой дополнительной защиты от прямых солнечных лучей и осадков.