Методы обеспечения эффективной эксплуатации телекоммуникационных систем на основе повышения работоспособности служебных подсистем

Сегодня основной задачей телекоммуникационных систем является расширение сферы предоставляемых услуг и повышение их качества. Очевидно,.

• что успешное решение такой задачи возможно только при высокой экономической эффективности работы сети, а именно — в случае значительной надёжности и помехоустойчивости передачи наряду с низкой стоимостью передаваемого информационного бита. Всё это делает актуальным развитие таких направлений в технике телекоммуникаций, как разработка совершенных устройств и методов уплотнения и подходов к повышению достоверности и надёжности передачи. Прямым следствием сказанного является существующая тенденция к внедрению оптических технологий для передачи информации, и разработка методов передачи не только с временным (TDM) и волновым (WDM) уплотне нием каналов [1], но и с коммутацией пакетов и сообщений [2]. Последнее направлено на экономию времени простоя сетевых устройств и также повышает эффективность сети.

Огромная полоса пропускания оптоволоконных систем и высокое быстродействие современных устройств коммутации и уплотнения позволяют использовать высокие битовые скорости и мультиплексировать в одно волокно до каналов (типа ЕО), [1]. Такое развитие цифровых сетей как с точки зрения расширения их топологии и пространственной зоны покрытия (охвата), так и одновременного усложнения их структуры приводит к повышению требований по организованности взаимодействия сетевых устройств. В этой ситуации роль служебных подсистем, предназначенных для обеспечения корректного взаимодействия, возрастает. Известно [3 — 5], что в настоящее время систему синхронизации, использующуюся в цифровых сетях, невозможно рассматривать как частную задачу. Напротив, её разработка требует системного подхода — с учётом физической топологии и особенностей всей цифровой сети. В отношении системы сигнализации, получившей широкое распространение к настоящему моменту (ОКС № 7), также можно отметить её системный охват в смысле выделения одного сигнального (служебного) канала для серии ин-" формационных каналов (до 1000 номеров). Для успешного развития служебных подсистем, а с ними и цифровой сети в целом, на рынке телекоммуникаций стали появляться специализированные технические решения — например, вторичный задающий генератор (ВЗГ), позволяющий улучшить точность синхросигнала, тем самым обеспечить расширение сети и увеличение битовой скорости. Но, к сожалению, подобные устройства являются экономически оправданными, как правило, только для крупных сетевых операторов (которых в России единицы) — как из-за их значительной стоимости, так и быстрого морального старения. Во многих же случаях сетевой оператор остаётся перед выбором: либо отказаться от внедрения того или иного телекоммуникационного приложения, услуги, развития и модернизации сети ввиду их экономической неоправданности, либо организовать научно-техническую разработку и внедрить оригинальные технические решения. В последнем случае представляется возможным достигнуть требуемый результат не только с меньшими экономическими затратами, но и обеспечить более эффективную модернизацию.

Однако на пути выполнения опытно-конструкторских разработок в области телекоммуникаций существуют нерешённые вопросы и научно-исследовательского направления. Известные математические модели систем связи в основном направлены на решение двух классов задач. Первый — исследование влияющих факторов на канал передачи данных, с последующим выбором алфавита источника, способа помехоустойчивого кодирования и пр. (задача Шеннона) [6], многоканальных систем связи — добавляются исследования по ортогональности и условиям последующего разделения передаваемых сигналов [7]. Для синхронных систем связи — исследования по выбору оптимального сигнала синхронизации [8], структуры схем подстройки частоты [9] принимаемого сигнала синхронизации. Второй класс задач посвящён расчету по мощности и дисперсионным искажениям оптоволоконных систем [10], [11] (длины регенерационного участка, Rec. G.681, G.692) с учётом потерь в световодных соединителях, разветвителях, на преобразование и т. д. для обеспечения требуемого уровня критериев качества передачи. В стационарном случае — вероятности битовых ошибок (РЕ), в нестационарном добавляются: количество секунд с ошибками (NES) и количество сильно поражённых секунд (NMES). Параметры NES и NMES определяются экспериментально (по результатам эксплуатации) по факту превышения параметра РЕ над установленным значением [9]: для «канала передачи данных» 0.3 > PEnes > Ю'9, «канала передачи голоса» 0.3 > PEnes > Ю*6, для обоих типов каналов PEnmes ^ 0.3. Известные математические модели критериев качества передачи [12], [13] и т. д., использующиеся при выборе сетевых решений, оптимизации архитектуры волоконно-оптических систем передач (ВОСП), построены без учёта неидеальности сигнала синхронизации, в том числе возможных его скачкообразных изменений. Количество ведомых генераторов сетевых элементов (ГСЭ) и ВЗГ определено в руководящих и нормативно-технических документах (НТД) [14], [15] и пр. без относительно к условиям эксплуатации системы телекоммуникаций, способов передачи синхросигнала, архитектуры сети синхронизации.

Существующие учебно-методические и инженерно-технические литературные источники [1], [2], [4], [5], [16 — 18] и т. д., содержащие системный подход к описанию работы цифровых сетей, не отражают как характеристик реальных компонентных сигналов с возможными искажениями и уровнем шума, так и параметров работоспособности реально эксплуатируемой сети — статистического характера пропускных способностей, искажений логического и алгоритмического характера, влияния длительностей ожидания сообщений в очереди от технических параметров линий связи и узловой аппаратуры. Задача обеспечения качества передачи на требуемом уровне, как правило, решается путём неоправданного завышения системного запаса, а следовательно — стоимости передаваемого информационного бита.

Новые технические задачи, поставленные промышленностью перед системами передачи по увеличению скорости, объемов передаваемой информации, расширению областей технических приложений и эффективности, приводят к необходимости моделирования, последующей оптимизации и пересмотра принципов проектирования, управления и контроля сетью. В связи с этим задачи построения новых инженерных методик проектирования и расчёта ВОСП, предназначенных как для эксплуатации сети в нестандартных условиях, так и эффективной низкозатратной модернизации, являются актуальными. Диссертация посвящена разработке новых математических моделей, методик расчёта и схемотехнических моделей сетевых устройств для волоконно-оптических синхронных сетей.

Основные результаты диссертационной работы получены с использованием положений теории графов, статистических и случайных процессов, дифференциального и интегрального исчисления. Применены методы математического моделирования, в том числе компьютерного. Проведён натурный эксперимент на созданном научно-исследовательском стенде.

Научная новизна работы заключается в следующем: •Разработан метод прогнозирования реальной достоверности приёма цифровых сигналов на основе учёта как влияния возмущающих факторов — возможного снижения точности синхросигнала, нарушения цикловой структуры цифрового сигнала и аддитивного шума, так и определения вероятности безотказной работы в отсутствии и при наличии отказовых ситуаций.

•Предложен метод маршрутизации сигналов служебных подсистем с определением трафиковых долей потока и последующего выбора топологии для однои многопутевого графа с учётом реальных параметров цифровой сети. •Разработана методика оценки и повышения значений показателей надёжности и помехоустойчивости системы телекоммуникаций.

•Предложен подход к управлению системой синхронизации в условиях динамической маршрутизации синхросигнала.

Практическая ценность. Адаптация телекоммуникационной системы к реальным условиям эксплуатации при обеспечении достоверности и качества передачи информации установленным НТД значениям на базе разработанных методов прогнозирования реальной достоверности приёма цифровых сигналов в условиях влияния искажающих факторов, и маршрутизации сигналов служебных подсистем, а также с применением вычислительной методики оценки реальных значений показателей надёжности и помехоустойчивости сегментов телекоммуникационной системы и схемы управления сетевой синхросистемой, предназначенной для размыкания возможных петель синхросигнала.

Новые научные результаты, выносимые на защиту:

1. Метод оценки достоверности и качества передачи сообщений в цифровой сети, разработанный на основе совместного учёта аддитивного шума, возможного снижения точности ведущего сигнала синхронизации и нарушения цикловой структуры сигналов, позволяющий прогнозировать реальную достоверность приёма и адаптировать структуру системы телекоммуникаций к конкретным условиям эксплуатации.

2. Методика определения вероятности безотказной работы сегмента телекоммуникационной системы, разработанная с применением оценки показателей надёжности и помехоустойчивости в отказовых ситуациях, позволяющая прогнозировать работоспособность сети.

3. Метод определения трафиковых долей потоков и топологии многои одно-путевого графа, разработанный на основе совместного учёта случайных величин пропускной способности линий сетевого графа, длительностей ожидания сообщений в очереди и влияния внешних искажений, позволяющий находить оптимальные пути для передачи сигналов служебных подсистем по критерию минимизации джиттера и взвешенной суммы межконцевых задержек сообщений.

4. Методика оценки и повышения значений показателей надёжности и помехоустойчивости системы телекоммуникаций на базе вычислительного эксперимента, заключающаяся в статистическом моделировании входных сигналов и реальных показателей надёжности и помехоустойчивости линий сетевого графа, позволяющая проводить перерасчет пропускных способностей линий связи и трафиковых долей потоков для последующей адаптации сетевой топологии к конкретным условиям эксплуатации.

5. Модель системы управления системой синхронизации, основанная на анализе предложенных топологических соединений для передачи синхросигнала с целью выявления и размыкания замкнутых петель, обеспечивающая однозначность иерархической передачи частотного синхросигнала.

Основные результаты диссертационной работы были доложены на:

Шестой международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций», г. Уфа, 2005; XI Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь RLNC'2005» г. Воронеж, 2005; LVV Всероссийской научной сессии, посвя-щённой дню радио, г. Москва, 2005; а также на семинарах кафедры «Телекоммуникационные системы» УГАТУ. По материалам диссертации опубликована монография, согласованное с Учебно-методическим объединением учебное пособие, 2 печатные работы, 3 доклада в сборниках трудов конференций, получено 2 свидетельства об официальной регистрации программного продукта и одно свидетельство об официальной регистрации интеллектуального продукта, список которых приведен в конце автореферата.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографии и приложения.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработан метод оценки достоверности и качества передачи сообщений в цифровой сети, который в отличие от традиционных методов основан на интегральном учёте влияния аддитивного шума, возможного снижения точности ведущего сигнала синхронизации в течение интервала наблюдения и логических операций АСГ, а также цикловой структуры цифровых сигналов, позволяющий прогнозировать реальную достоверность приёма и адаптировать структуру системы телекоммуникаций к конкретным условиям эксплуатации.

2. Предложена методика определения вероятности безотказной работы сегмента телекоммуникационной системы, которая в отличие от известной построена с учётом результатов реальной надёжности систем передач, получаемой по результатам эксплуатации, а также в отказовых ситуациях (с учётом резервирования). Методика позволяет прогнозировать работоспособность сети с учётом результатов её предшествующей эксплуатации.

3. Разработан метод определения трафиковых долей потоков и топологии многои однопутевого графа, который в отличие от известного обеспечивает возможность совместного учёта случайных величин пропускной способности линий сетевого графа, длительностей ожидания сообщений в очереди и влияние внешних искажений (длительности такта), позволяющий находить оптимальные пути для передачи цифровых сигналов. Данный метод учитывает особенности передачи сигналов служебных подсистем, в частности, предполагает оптимизацию по критерию минимизации джиттера, что характерно для синхросигнала, а также взвешенной суммы межконцевых задержек сообщений, что представляет технический интерес для ОКС № 7. Разработана методика оценки и повышения значений показателей надёжности и помехоустойчивости системы телекоммуникаций, основанная на статистическом моделировании входных сигналов, реальных показателей надёжности и помехоустойчивости линий сетевого графа и топологических характеристик сети, позволяющая в рамках разработанных методов по определению параметров телекоммуникационных систем проводить адаптацию ВОСП к реальным условиям эксплуатации.

Разработана модель системы управления системой синхронизации, которая в отличие от используемой традиционно предполагает анализ реально получаемых топологических соединений, предназначенных для передачи синхросигнала и сигналов ОКС № 7. Данная схема позволяет производить обнаружение и последующее устранение недопустимых НТД конфигураций графа служебных подсистем, тем самым обеспечивает однозначность их иерархической передачи.

Разработана методика и проведено экспериментальное исследование работоспособности новой модели системы управления конфигурацией служебных подсистем. Методика заключается в выявлении диапазона значений конструктивных параметров, обеспечивающих работоспособность схемы, и позволяет проводить управление конфигурацией синхросети и сети сигнализации ОКС № 7 при возможных авариях (реконфигурации при резервировании) и динамической маршрутизации. Установлено, что применение новой схемы позволяет улучшить точность синхросигнала в сети на 20.30% посредством оптимизации топологии синхросети.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполненного исследования разработана статистическая математическая модель вероятности ошибки считывания двоичных разрядов, которая учитывает влияние аддитивного гауссовского шума в канале и возможное несоответствие длительностей тактов в приёмнике и передатчике. Предложена оригинальная методика оценки показателей надёжности телекоммуникационной системы, построенная с учётом возможных отказовых ситуаций и параметров эксплуатационной (текущей) надёжности передачи. Использование предлагаемой математической модели даёт возможность более корректно по отношению к известной модели провести оценку значений критериев качества передачи в ВОСП. Получены математические выражения для вероятности ошибки считывания бита в многоканальной системе связи, в которой уплотнение каналов осуществляется с использованием алгоритма синхронного группообразования, а также вероятности безотказной работы, определяемой по результатам статистической выборки с задаваемой доверительной вероятностью. Использование таких соотношений позволяет проводить оценку значения вероятности ошибки, возникающей из-за операции цифрового выравнивания в АСГ.

Изучена возможность построения новой математической модели построения топологии сетевого графа, позволяющей производить учёт реальных возмущающих факторов. В отличие от известной, представленная модель может успешно применяться для определения виртуальной топологии служебных подсистем, в частности, системы частотной синхронизации и сигнализации ОКС № 7, т.к. учитывает их характерные особенности (порой, не имеющие место в системе передачи информации абонентов). На базе разработанных математических моделей проведён вычислительный эксперимент по определению значений критериев качества передачи и показателей надёжности реально эксплуатируемой ВОСП — Уфимской городской телефонной сети. Целью эксперимента являлось выявление «скрытых резервов» оборудования линейного тракта и линейных сооружений, находящихся в эксплуатации, что позволило бы осуществить определённые мероприятия по модернизации сети, избегая существенных финансовых затрат. Установлено, что в значительной степени на качество передачи сказывается точность синхросигнала и надёжность передачи сигналов служебных подсистем. В этой связи было предложено производить динамическую маршрутизацию данных сигналов, выбирая в режиме реального времени наиболее надёжный сегмент. Для обеспечения выполнения требований НТД, предъявляемых к топологии служебных подсистем с учётом функциональных особенностей последних, дополнительно разработана и экспериментально исследована схема управления системой синхронизации. Данная схема предназначена для устранения недопустимых топологических элементов.

По завершению работы над диссертацией предполагается продолжить научно-исследовательскую деятельность в области построения и доводки инженерных методик расчета показателей надёжности и ресурса сетевого оборудования системы телекоммуникаций с учётом реальных условий эксплуатации.