Методология комплексного инженерного проектирования оптической транспортной сети (ВОЛС SDH/NGN) для ВКР

Введение: Цель проекта, нормативная база и структура документации

Современные телекоммуникационные сети сталкиваются с экспоненциальным ростом трафика, требуя конвергенции технологий, способных эффективно передавать как традиционные синхронные потоки (TDM/SDH), так и пакетные данные (Ethernet/IP). Проектирование оптической транспортной сети (ВОЛС) на базе SDH с возможностью интеграции NGN является комплексной инженерной задачей, требующей глубокого анализа технических, экономических и нормативных факторов. В итоге, успешная реализация проекта зависит от строгого следования проверенной методологии.

Целью данного проекта-расчета является разработка исчерпывающей методологии и сбор исходных данных, необходимых для проектирования высоконадежной оптической транспортной сети между заданными узлами. Основные задачи включают выбор оптимальной трассы, расчет бюджета оптической мощности и длины регенерации, определение архитектуры сети с учетом механизмов защиты, разработку схемы тактовой сетевой синхронизации, а также полное технико-экономическое обоснование (ТЭО) проекта.

Нормативно-правовое регулирование проектной деятельности

Любой капитальный проект в области связи в Российской Федерации базируется на строгой нормативно-правовой базе. Краеугольным камнем, определяющим состав и содержание проектной документации для строительства, является Постановление Правительства РФ №87 от 16 февраля 2008 года «О составе разделов проектной документации и требованиях к их содержанию». Этот документ задает иерархическую структуру всего проекта, начиная от пояснительной записки и заканчивая сметой.

На уровне технических расчетов и выбора оборудования обязательным является применение отраслевых стандартов (РД), Государственных стандартов (ГОСТ) и международных рекомендаций ITU-T. Например, при проектировании воздушных линий (ВОЛС-ВЛ) на опорах линий электропередачи (ЛЭП) необходимо строго следовать ГОСТ Р 55529-2013, который устанавливает общие технические условия для кабелей, встроенных в грозозащитный трос (ОКГТ). Соблюдение этих стандартов гарантирует не только техническую реализуемость, но и юридическую корректность проекта, что является основой для успешного прохождения государственной экспертизы.

Этап 1: Выбор трассы и конструктивных решений ВОЛС

Выбор трассы прокладки ВОЛС является первым и одним из наиболее критичных этапов, поскольку он определяет капитальные затраты (CAPEX), эксплуатационные расходы (OPEX), а также долгосрочную надежность и ремонтопригодность линии. Критерии выбора включают геологические условия (тип грунтов), климатические факторы (ветровые и гололедные нагрузки), наличие существующей инфраструктуры (автомобильные и железные дороги, ЛЭП) и необходимость получения разрешений на землеотвод. Каким образом выбор трассы может повлиять на итоговую стоимость владения сетью (TCO)?

Обоснование выбора типа оптического кабеля и способа прокладки

Выбор конструктивного исполнения оптического кабеля напрямую зависит от условий внешней среды и способа прокладки:

• Прокладка в грунт (подземная): Используются бронированные кабели (со стальной проволочной или ленточной броней) для защиты от механических повреждений и грызунов. Часто применяется прокладка кабеля в специальные защитные полиэтиленовые трубы (ЗПТ).
• Воздушная прокладка (ВОЛС-ВЛ): Для подвеса на опорах ЛЭП используются самонесущие кабели (ОКСН) или кабели, встроенные в грозозащитный трос (ОКГТ). При проектировании ВОЛС-ВЛ климатические условия (ветровые и гололедные нагрузки) должны соответствовать условиям, принятым для проектирования самой линии электропередачи. Применение ОКГТ строго регламентируется ГОСТ Р 55529-2013.

Расчетные параметры прокладки

Для прокладки междугородних ВОЛС в грунт, где требуется минимизация количества муфт и увеличение длины непрерывного участка, предпочтение отдается технологии пневматического вдувания кабеля в ЗПТ.

Технологические ограничения определяют длину регенерационного участка:

• Стандартная длина непрерывной прокладки оптического кабеля методом пневматического вдувания в ЗПТ составляет от 2,5 до 4 км.
• Максимальная достижимая длина на одном участке с использованием высокопроизводительного оборудования может достигать 6 км.

Эти параметры критически важны, так как они определяют количество строительных длин кабеля, необходимое количество соединительных муфт и, как следствие, суммарное затухание в линии, которое является ключевым параметром для расчета оптического бюджета (см. Этап 3).

Этап 2: Архитектура транспортной сети и механизмы надежности

Архитектура сети должна обеспечивать не только передачу данных, но и высокую отказоустойчивость, что является критичным требованием для магистральных и ведомственных транспортных систем.

Топологические схемы SDH-сети

В отличие от простых линейных систем «точка-точка», современные SDH-сети, особенно в критически важных ведомственных сетях (например, транспортных или энергетических), наиболее целесообразно строить на основе кольцевых топологий или их сочетаний (радиально-кольцевая, кольцо-кольцо).

Основное преимущество кольцевой архитектуры заключается в автоматическом обеспечении защиты благодаря наличию двух пар оптических каналов, идущих в противоположных направлениях (восток и запад). В случае обрыва кабеля трафик перенаправляется по резервному пути менее чем за 50 мс, что минимизирует простои.

Топология	Преимущества	Применимость
Линейная	Простота, минимальные CAPEX на коротких участках.	Сети небольшой протяженности, отводы.
Кольцевая (самовосстанавливающееся кольцо)	Высокая надежность (защита 1+1), простота управления защитой.	Магистральные и городские транспортные сети.
Радиально-кольцевая	Сочетание высокой надежности ядра и гибкости подключения периферийных узлов.	Сложные региональные сети с большой абонентской базой.

Механизмы защиты и восстановления трафика

В сетях SDH механизмы защиты встроены в протокол и обеспечивают переключение трафика на резервный путь в течение не более 50 мс. Основные механизмы:

• Защита секции мультиплексирования 1+1 (MSP — Multiplex Section Protection): Самый распространенный механизм. Трафик дублируется по рабочему и защитному путям. При отказе рабочего пути (например, обрыв волокна) приемник автоматически выбирает сигнал с защитного пути.
• Защита соединений в подсети (SNC/N — Subnetwork Connection Protection): Обеспечивает защиту на уровне виртуальных контейнеров (VC-n). Применяется для защиты от отказа конкретного сетевого элемента.

Расчет показателей надежности ВОЛС

Надежность является ключевым показателем качества проекта. Оценка надежности ВОЛС проводится на основе анализа интенсивности отказов компонентов (активное оборудование, кабель, муфты). В российской практике оценка надежности ВОЛС часто проводится на основе ГОСТ Р 54415-2011 «Надежность в технике. Методы оценки надежности волоконно-оптических систем передачи».

Расчет среднего времени наработки на отказ (MTBF — Mean Time Between Failures) для системы с последовательным соединением компонентов определяется суммарной интенсивностью отказов ($\Lambda_{\text{сист}}$):

MTBF = 1 / Λсист

Где $\Lambda_{\text{сист}}$ — суммарная интенсивность отказов, равная сумме интенсивностей отказов всех последовательно включенных элементов:

Λсист = Σ Λi

Где $\Lambda_{i}$ — интенсивность отказов $i$-го компонента (например, для линейного тракта: $\Lambda_{\text{тракт}} = \Lambda_{\text{оборуд}} + \Lambda_{\text{кабель}} + \Lambda_{\text{муфты}}$). Для кольцевых топологий расчет усложняется, поскольку наличие защитных механизмов значительно снижает итоговую интенсивность отказов, значительно увеличивая MTBF.

Этап 3: Фундаментальные технические расчеты (Бюджет мощности и длина регенерации)

Ключевым инженерным расчетом, определяющим работоспособность линии и максимально допустимую длину регенерационного участка, является расчет оптического бюджета.

Расчет оптического бюджета ($B_{\text{опт}}$)

Оптический бюджет — это запас мощности, который система передачи может "потратить" на затухание в волокне, соединениях и пассивных элементах, прежде чем уровень сигнала на приемнике опустится ниже чувствительности.

Формула расчета оптического бюджета:

Bопт = Pпрд − Sпрм

Где:

• $P_{\text{прд}}$ — Выходная мощность передатчика (дБм).
• $S_{\text{прм}}$ — Чувствительность приемника (минимальная мощность, при которой достигается заданный BER) (дБм).

Типовые значения затухания в одномодовом волокне (стандарт G.652D) при работе в диапазоне длин волн:

• Для $\lambda = 1550$ нм: $A_{\text{уд}} \approx 0,2$ дБ/км.
• Для $\lambda = 1310$ нм: $A_{\text{уд}} \approx 0,35$ дБ/км.

Расчет суммарного затухания в линии ($A_{\text{лин}}$)

Суммарное затухание должно быть меньше или равно оптическому бюджету. Оно включает потери во всех элементах линии, включая необходимый эксплуатационный запас.

Формула расчета суммарного затухания:

Aлин = Aвол + Aсв + Aраз + Aпас + Aзап

Где:

• $A_{\text{вол}}$ — Потери в волокне: $A_{\text{вол}} = L \cdot A_{\text{уд}}$ (где $L$ — длина участка, $A_{\text{уд}}$ — удельное затухание).
• $A_{\text{св}}$ — Потери на сварных соединениях: $A_{\text{св}} = N_{\text{св}} \cdot A_{\text{св.ед}}$ (где $N_{\text{св}}$ — количество сварок, $A_{\text{св.ед}} \approx 0,05$ дБ).
• $A_{\text{раз}}$ — Потери на разъемах: $A_{\text{раз}} = N_{\text{раз}} \cdot A_{\text{раз.ед}}$ (где $N_{\text{раз}}$ — количество разъемов, $A_{\text{раз.ед}} \approx 0,5$ дБ).
• $A_{\text{пас}}$ — Потери в пассивных компонентах (мультиплексоры OADM/сплиттеры).
• $A_{\text{зап}}$ — Эксплуатационный запас мощности.

Обоснование эксплуатационного запаса ($A_{\text{зап}}$): Эксплуатационный запас необходим для компенсации старения лазеров, деградации волокна, а также дополнительных потерь, возникающих при аварийных ремонтах (каждая ремонтная сварка добавляет 0,05-0,1 дБ потерь). Для магистральных систем с повышенными требованиями к отказоустойчивости рекомендуется принимать значение $A_{\text{зап}}$ в диапазоне 5–8 дБ. Минимально допустимый запас для обеспечения надежности линии составляет 3 дБ.

Определение длины регенерационного участка

Условие работоспособности системы:
$B_{\text{опт}} \ge A_{\text{лин}}$

Максимально допустимая длина регенерационного участка ($L_{\text{max}}$) определяется из условия равенства оптического бюджета и суммарного затухания (при этом потери, не зависящие от длины, выносятся за скобки):

Lmax = (Bопт − (Aсв + Aраз + Aпас + Aзап)) / Aуд

Полученное значение $L_{\text{max}}$ (в км) определяет, где необходимо установить регенератор (или усилитель в системах WDM) для восстановления сигнала. Технические требования к протяженности участков SDH-сетей специфицируются в Рекомендациях ITU-T G.957 и G.958.

Этап 4: Сетевая синхронизация (TSS) в конвергентных сетях NGN (Закрытие слепой зоны)

В конвергентных сетях NGN/SDH для обеспечения тактовой сетевой синхронизации (TSS) требуется не только частотная, но и фазовая/временная синхронизация. Недостаточное внимание к этому аспекту ведет к джиттеру, сдвигу фазы и потере пакетов, что напрямую влияет на качество критически важных услуг, таких как мобильная связь.

Применение SyncE и PTP в сетях NGN/SDH

Современные сети используют комбинацию двух технологий:

1. SyncE (Synchronous Ethernet): Обеспечивает высокоточную частотную синхронизацию. Работает аналогично SDH, передавая тактовый сигнал по физическому уровню Ethernet. SyncE является фундаментом для стабильной работы PTP.
2. PTP (Precision Time Protocol, IEEE 1588): Обеспечивает высокоточную фазовую/временную синхронизацию. PTP передает метки времени, позволяя абонентским устройствам синхронизировать свои часы с эталонным источником.

Профиль ITU-T G.8275.1: Требования к точности

Для обеспечения синхронизации в транспортных сетях (Full Timing Support — FTS) используется специализированный профиль PTP, описанный в Рекомендации ITU-T G.8275.1. Этот профиль является обязательным для операторов, предоставляющих услуги, чувствительные к фазе и времени (например, мобильная связь 4G/5G, финансовые транзакции).

Ключевые требования G.8275.1:

• FTS (Full Timing Support): Требует, чтобы все сетевые элементы (маршрутизаторы, коммутаторы, мультиплексоры) на пути синхронизации были PTP-aware и функционировали как граничные часы (T-BC – Telecom Boundary Clock).
• Использование SyncE: SyncE является обязательным для обеспечения точной и стабильной частотной основы, на которой затем PTP проводит фазовое выравнивание.
• Точность MATE: Для эталонных часов T-GM (Telecom Grandmaster) регламентируется максимальная абсолютная временная ошибка (Maximum Absolute Time Error, MATE) относительно Всемирного координированного времени (UTC), которая должна быть не более $\pm 100$ наносекунд (нс). Достижение этого параметра требует тщательного выбора оборудования и проектирования схемы синхронизации.

Оптическая безопасность

При работе с ВОЛС, особенно с системами WDM/DWDM, где используются мощные лазеры (в том числе с Рамановским усилением), необходимо строго соблюдать меры оптической безопасности. Рекомендация ITU-T G.664 содержит руководящие указания по обеспечению безопасности (для глаз и кожи). При проектировании аппаратных залов следует предусмотреть соответствующие предупреждающие знаки и использовать средства индивидуальной защиты (СИЗ), чтобы предотвратить прямой контакт глаз с лучом. Это не просто требование безопасности, но и гарантия сохранения здоровья обслуживающего персонала.

Этап 5: Технико-экономическое обоснование (ТЭО) проекта

ТЭО является обязательной частью проекта, которая доказывает финансовую целесообразность и прибыльность инвестиций в строительство ВОЛС.

Методика расчета чистой приведенной стоимости (NPV)

Чистая Приведенная Стоимость (Net Present Value, NPV) — это разница между суммой дисконтированных денежных потоков (поступлений и выплат) за период реализации проекта и первоначальными инвестициями. Принцип дисконтирования гласит, что денежные средства, полученные сегодня, ценнее, чем те же средства, полученные в будущем, что учитывается ставкой дисконтирования ($R$).

Формула для расчета NPV:

NPV = Σ(CFt / (1 + R)t) − CF0

Где:

• $CF_{t}$ — Чистый денежный поток (Cash Flow) в период $t$.
• $R$ — Ставка дисконтирования (стоимость капитала или требуемая норма доходности).
• $t$ — Период времени (год).
• $CF_{0}$ — Первоначальные инвестиции (CAPEX).

Критерий эффективности: Проект считается экономически эффективным и выгодным для инвестирования, если NPV > 0. Если NPV < 0, проект убыточен при выбранной ставке дисконтирования.

Расчет внутренней нормы доходности (IRR)

Внутренняя Норма Доходности (Internal Rate of Return, IRR) — это ключевой показатель, который определяет максимально допустимую стоимость капитала, при которой проект остается безубыточным. IRR — это ставка дисконтирования ($R$), при которой чистая приведенная стоимость (NPV) проекта равна нулю:

Σ(CFt / (1 + IRR)t) − CF0 = 0

IRR обычно рассчитывается итерационно.

Критерий жизнеспособности: Проект считается финансово жизнеспособным, если IRR выше стоимости капитала (ставки дисконтирования, $R$). Чем выше IRR, тем более устойчив проект к колебаниям рыночных условий и риску.

Этап 6: Обеспечение безопасности жизнедеятельности (ОТ и ЧС)

Раздел "Безопасность жизнедеятельности" (БЖД) является обязательным в ВКР и включает требования по охране труда (ОТ), пожарной безопасности и гражданской обороне (ЧС).

Требования электробезопасности и охраны труда

Персонал, обслуживающий технологическое оборудование связи, относится к электротехнологическому персоналу.

1. Группа по электробезопасности: Работники оперативного персонала, обслуживающие электроустановки до 1000 В, должны иметь группу по электробезопасности не ниже III в соответствии с Правилами по охране труда при эксплуатации электроустановок.
2. Работа под напряжением: Производить осмотр, чистку и ремонт оборудования связи, находящегося под напряжением, запрещается, за исключением стоек, питание которых осуществляется напряжением до 50 В. При работе с оборудованием до 1000 В необходимо использовать изолирующий инструмент и диэлектрические средства защиты (перчатки, галоши, коврики).
3. Размещение оборудования: Оборудование в аппаратных должно размещаться с учетом максимального удобства и безопасности обслуживания (осмотр, профилактика). Должны быть обеспечены нормативные санитарно-гигиенические условия (шум, освещение, микроклимат).

Требования при монтажных ��аботах

При строительстве ВОЛС необходимо строго соблюдать правила безопасности, особенно при работе на высоте или в траншеях.

1. Работа в траншеях: При прокладке кабеля в траншеях, глубина которых превышает 1,3 метра, требуется установка креплений стенок. Обязательно устанавливаются переходные мостики шириной не менее 1 м с перилами высотой не менее 1,1 м для обеспечения безопасного перехода людей и техники.
2. Прокладка ВОЛС-ВЛ: При монтаже волоконно-оптического кабеля на опорах воздушных линий электропередачи (ВЛ) рабочие должны соблюдать минимально допустимое безопасное расстояние до неизолированных токоведущих частей. Для ВЛ напряжением до 35 кВ это расстояние составляет не менее 0,6 метра. Нарушение этого требования может привести к поражению электрическим током.

Заключение

Разработанная методология представляет собой комплексный инженерный подход к проектированию оптической транспортной сети SDH/NGN, полностью соответствующий требованиям выпускной квалификационной работы типа "Проект-расчет".

В результате выполнения проекта будут получены следующие ключевые выводы:

1. Техническая реализуемость: Расчет оптического бюджета ($B_{\text{опт}}$) и определение длины регенерационных участков подтвердят техническую возможность построения линии с заданными параметрами надежности, с учетом эксплуатационного запаса (рекомендуется 5–8 дБ).
2. Выбор архитектуры: Применение кольцевой (или радиально-кольцевой) топологии с механизмами защиты 1+1 MSP обеспечит требуемый уровень отказоустойчивости, что критически важно для магистральных сетей (см. подробнее в Топологические схемы SDH-сети).
3. Синхронизация: Внедрение схемы тактовой сетевой синхронизации на базе SyncE и PTP (профиль ITU-T G.8275.1) гарантирует высокую точность времени (MATE $\le \pm 100$ нс), что критично для современных конвергентных услуг.
4. Экономическая эффективность: Расчеты NPV и IRR позволят подтвердить экономическую целесообразность проекта. Условие NPV > 0 и IRR > стоимости капитала станут подтверждением инвестиционной привлекательности.
5. Нормативное соответствие: Весь проект базируется на актуальных нормативных документах РФ (ПП №87, ГОСТ Р 55529-2013, ГОСТ Р 54415-2011) и международных стандартах.

Таким образом, проект будет готов к дальнейшей детализации сметных расчетов и разработки рабочей документации, представляя собой завершенный и обоснованный инженерный продукт.

Список использованной литературы

1. РД 45.120-2000. Нормы технологического проектирования. Городские и сельские телефонные сети. — Москва : ЦТНИ «ИНФОРМСВЯЗЬ», 2000.
2. Руководство по строительству линейных сооружений связи. В 2 ч. — Москва : ССКТБ, 1995.
3. Правила ввода в эксплуатацию сооружений связи : приказ Министерства Российской Федерации по связи и информатизации от 09 сентября 2002 г. № 113.
4. Гроднев И.И., Верник С.М. Линии связи. — Москва : Радио и связь, 1988.
5. Горлов Н.И., Микиденко А.В., Минина Е.А. Оптические линии связи и пассивные компоненты ВОСП : учебное пособие. — Новосибирск, 2003.
6. Инструкция по расчету основных технико-экономических и финансовых показателей и заполнению форм-таблиц бизнес-плана на стадиях проектирования для предприятий связи ОАО «Гипросвязь». — Москва, 1999.
7. Шмалько А.В. Цифровые сети связи. — Москва : Эко-Трендз, 2001.
8. Ионов А.Д. Проектирование кабельных линий связи : учебное пособие. В 2 ч. — Новосибирск : СибГУТИ, 1995.
9. Ионов А.Д., Заславский К.Е. Волоконная оптика в системах связи и коммутации : учебное пособие. В 2 ч. — Новосибирск : СибГУТИ, 1998.
10. Ионов А.Д. Волоконно-оптические линии передачи : учебное пособие. — Новосибирск : СибГУТИ.
11. Фокин В.Г. Проектирование тактовой сетевой синхронизации : методические указание. — Новосибирск, 2002.
12. Заславский К.Е., Фокин В.Г. Проектирование оптической Транспортной сети : учебное пособие. — Новосибирск, 1999.
13. Шувалов В.П. Телекоммуникационные системы и сети. Том 1 : учебное пособие для студентов ВУЗов. — Москва : Горячая линия -Телеком, 2003.
14. Бежоева Е.Б., Егунов М.М., Шерстнева О.Т. Проектирование ГТС на базе систем передачи синхронной цифровой иерархии : учебное пособие. — Новосибирск : СибГУТИ, 2002.
15. Попов Г.Н. Телекоммуникационные системы передачи SDH и PDH. Часть 2 : учебное пособие для студентов ВУЗов. — Новосибирск, 2003.
16. Прикладная минералогия. — Иркутск : Изд-во Иркутского ун-та, 1992.
17. Белых Л.И. Оценка состояния почв агроэкосистем // География и природные ресурсы. — 2003. — № 3. — С. 147-150.
18. Ляпунов А.В. Основы природопользования : метод. указания. — Иркутск : Изд-во ИГУ, 2008. — 17 с.
19. Об утверждении Правил по охране труда в организациях связи [Электронный ресурс] // КонсультантПлюс. URL: consultant.ru (дата обращения: 29.10.2025).
20. Оптический бюджет [Электронный ресурс] // StudFile. URL: studfile.net (дата обращения: 29.10.2025).
21. Практическая работа № 7. Расчет оптического бюджета ВОЛОКО [Электронный ресурс] // БГТУ. URL: bsut.by (дата обращения: 29.10.2025).
22. Как просто рассчитать оптический бюджет [Электронный ресурс]. URL: xn--80aalccoafpfcpgdfeii1bzaks8eyg5cl.xn--p1ai (дата обращения: 29.10.2025).
23. ITU-T G.8275.1/Y.1369.1 (11/2022). Precision time protocol telecom profile for phase/time synchronization with full timing support. — 2022. URL: itu.int (дата обращения: 29.10.2025).
24. Архитектура сети SDH. Радиально-кольцевая архитектура [Электронный ресурс] // КубГУ. URL: kubsu.ru (дата обращения: 29.10.2025).
25. Стандарты в области волоконно-оптических систем (DWDM-технологии) [Электронный ресурс] // Habr. URL: habr.com (дата обращения: 29.10.2025).
26. Архитектура и топологии сети [Электронный ресурс] // StudWood. URL: studwood.net (дата обращения: 29.10.2025).
27. Проектирование оптических цифровых телекоммуникационных систем [Электронный ресурс] // ТУСУР. URL: tusur.ru (дата обращения: 29.10.2025).
28. Формула расчета NPV [Электронный ресурс]. URL: infostart.ru (дата обращения: 29.10.2025).
29. Что такое IRR в инвестициях: формула и как его рассчитать [Электронный ресурс]. URL: fin-ctrl.ru (дата обращения: 29.10.2025).
30. Правила проектирования, строительства и эксплуатации волоконно-оптических линий связи на воздушных линиях электропередачи напряжением 0,4-35 кВ [Электронный ресурс]. URL: ohranatruda.ru (дата обращения: 29.10.2025).
31. Проектирование и монтаж оптоволоконных линий передачи данных требуют строгого соблюдения множества норм и стандартов [Электронный ресурс]. URL: zscomp.ru (дата обращения: 29.10.2025).
32. Правила прокладки ВОЛС [Электронный ресурс]. URL: skomplekt.com (дата обращения: 29.10.2025).
33. Прокладка ВОЛС по опорам [Электронный ресурс]. URL: skomplekt.com (дата обращения: 29.10.2025).