Введение к работе
Актуальность темы. Современная тенденция развития инфокоммуникационных систем, в том числе многоканальных телекоммуникационных систем, высокопроизводительных вычислительных средств связана с масштабным внедрением оптических технологий. Это с одной стороны является следствием стремительного развития волоконной и интегрально-оптической техники, с другой стороны – продиктовано требованиями инфокоммуникационных технологий, машиностроения и всеми областями, где используются телекоммуникации и выставляются требования как по увеличению информационной ёмкости канала, скорости обработки сообщений, так и по надёжности системы связи. В связи с этим перспективным является направление на создание полностью оптических транспортных сетей, в функционировании которых главную роль в процессе преобразования играют не электронные (оптоэлектронные), а полностью оптические технологии и компоненты.
В настоящее время отсутствует полнофункциональная математическая модель многоканальных систем связи, позволяющая отслеживать изменение критериев качества передачи в условиях воздействия помех на аппаратуру, выполняющую обработку сигналов в сети. Известные математические модели критериев качества передачи, используемые при выборе сетевых решений, оптимизации архитектуры сетей, построены без учёта неидеальности входных сигналов и устройств управления. Руководящие документы в большинстве случаев составлены безотносительно к условиям эксплуатации, способам управления, архитектуре сети и не отражают как характеристик реальных компонентных сигналов с возможными искажениями и уровнем шума, так и параметров работоспособности аппаратуры.
Это не позволяет производить анализ реальной работоспособности сетей связи, так и создавать адекватные компьютерные имитаторы и виртуальные средства для их мониторинга. Существующие программные средства моделирования процессов взаимодействия компонентов сетей не дают возможности использовать оригинальные авторские разработки, например, по моделированию многоканальных систем, либо устройств с выраженным интерференционным эффектом, и наряду с этим обладают ограниченным набором библиотечных функций. Отсюда можно сделать вывод, что не решена задача разработки виртуально-приборного полигона, моделирующего процесс работы сети с учётом параметров входящих элементов и искажающих факторов. Поэтому задача обеспечения качества передачи на требуемом уровне решается путём неоправданного завышения системного запаса системы передачи, а задача выбора наиболее приемлемого пути модернизации в большинстве случаев – интуитивно.
Следует подчеркнуть, что востребуемые математические модели процессов, свойственных многоканальным телекоммуникационным системам должны быть построены с учётом специфики полностью оптических компонентов, в частности – полностью оптических активных устройств управления сетью, без которых последние реализуются в усечённом варианте. В последнем случае говорят о пассивных оптических сетях.
В настоящее время на пути к масштабному переходу к реконфигурируемым полностью оптическим сетям имеет место ряд проблем как фундаментального, так и прикладного технического характера. Одна из них – это создание оптических материалов с такими свойствами, которые бы обеспечивали эффективность оптико-оптических взаимодействий, а следовательно – и построение эффективных полностью оптических переключателей. К другой проблеме можно отнести разработку эффективных схем таких устройств с учётом свойств сетевых сегментов и сигналов, включая операции многоканального уплотнения.
Следовательно, известные математические модели волоконно-опти-ческих систем передач (ВОСП), с одной стороны, сложны и трудноприменимы, так как далеко не всегда выходят на требуемые характеристики и параметры, кроме того, вектор исходных данных зачастую не позволяет их применить непосредственно в эксплуатации. С другой стороны, они обладают ограниченным рассмотрением факторов влияния, тем самым неадекватно описывают физические процессы, происходящие в ВОСП. Так новые технические задачи, поставленные промышленностью перед системами телекоммуникаций по увеличению скорости, объемов передаваемой информации, расширению областей технических приложений, приводят к необходимости разработки концепции моделирования многоканальных систем с учётом становления последних на новый уровень с последующей разработкой виртуального полигона, имитирующего сетевые процессы и обеспечивающего тем самым возможность прогнозирования состояния сети. В этой связи задачи построения новых инженерных методик расчёта сегментов как ВОСП, так и полностью оптических сетей с применением методов математического, физического и компьютерного моделирования являются актуальными. Диссертация посвящена разработке концепции моделирования многоканальных телекоммуникационных систем с учётом реальной работоспособности устройств, схемотехники полностью оптических коммутаторов и свойств оптических сигналов.
Целью диссертационной работы является разработка концепции моделирования процессов в многоканальных волоконно-оптических сетях, учитывающей свойства как оптических чирпированных сигналов, так и сетевого оборудования включая полностью оптических коммутационных устройств, содержащих перспективные оптические материалы, что позволит согласовать параметры оборудования и сигналов, тем самым получить систему передачи с заданными показателями работоспособности. Для повышения эффективности расчёта параметров системы передачи, а также обеспечения возможности анализа работы существующих и прогнозирования эффективности строящихся сетей ставится цель разработки виртуального полигона, базирующегося на новой математической модели телекоммуникационных систем.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:
Разработка математической модели процесса взаимодействия элементов многоканальной телекоммуникационной системы, учитывающей технические параметры сетевых устройств, позволяющей формализовать многоканальные алгоритмы и тем самым анализировать и прогнозировать показатели надёжности и помехоустойчивости сетей.
Разработка метода моделирования амплитуды оптического импульса в линии передачи, обладающей интерференционными, дисперсионными и нелинейными свойствами, позволяющего рассчитывать комплекснозначную амплитуду импульса на произвольном участке линии.
Разработка методики моделирования параметров оптического импульса, позволяющей оптимизировать импульс по минимуму среднеквадратического отклонения формы под линию передачи с заданными свойствами.
Разработка математической модели структуры электромагнитного поля в профильном резонаторе типа Фабри–Перо с произвольными параметрами профиля, обеспечивающей возможность расчёта пространственной интерференционной картины для резонаторов длиной до 200 мкм.
Разработка математической модели процесса взаимодействия нанокристаллического прозрачного материала с внешней световой волной, обеспечивающей возможность расчёт коэффициентов, характеризующих макроскопические оптические свойства нанокристаллических материалов.
Разработка методики моделирования параметров профильного резонатора типа Фабри–Перо в составе оптической линии, обеспечивающего взаимодействие двух видов оптических сигналов, позволяющая оптимизировать параметры резонатора по минимуму искажений типовых сигналов, либо оптимизировать параметры произвольного сигнала для резонатора с неизменно распределёнными параметрами.
Разработка метода определения значений GoS-показателей сети, позволяющего адаптировать структуру телекоммуникационной системы к заданным условиям эксплуатации.
Методы исследований. При решении поставленных задач в работе использовались положения теории матричного исчисления, дифференциальных и интегральных методов моделирования, линейной алгебры, теории функций комплексной переменной, вероятностей, дискретной математики. Применён метод конечных разностей для решения дифференциальных уравнений совместно с компьютерными методами моделирования. Для оценки эффективности полученных результатов использовались методы математического и имитационного моделирования. Проведён экспериментальный анализ параметров физической системы, а также натурный эксперимент на созданном научно-исследовательском стенде с привлечением оборудования эксплуатирующихся телекоммуникационных систем.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Предложена математическая модель процесса взаимодействия элементов многоканальной телекоммуникационной системы, разработанная с применением введённых алгебраических объектов матричного типа и операций с ними. Создана алгебра преобразования многомерных оптических сигналов. Исследована замкнутость введённых операций.
Разработана методика моделирования процесса распространения оптического импульса в линии передачи, совместно учитывающая действие дисперсионных, нелинейных и интерференционных эффектов со стороны многих неидентичных по параметрам элементов интерференции.
Решена задача синтеза параметров минимально искажаемого оптического импульса для заданной линии передачи с учётом интерференционных свойств последней. Полученная методика позволяет находить конструктивные параметры интерференционных устройств, перенаправляющих сигналы типа «меандр», либо параметры сигналов, обеспечивающих минимальные искажения последних, перенаправляемых интерференционными устройствами с подобранным профилем.
Разработана математическая модель структуры электромагнитного поля в профильном резонаторе типа Фабри–Перо с произвольными параметрами профиля, обеспечивающая расчёт пространственной интерференционной картины для резонаторов длиной до 200 мкм, обладающих неплоским выходным зеркалом, с точностью до 10%. Предложен подход к управлению рабочей точкой резонатора посредством оптического излучения, что обеспечивает реализацию динамической маршрутизации в полностью оптических интеллектуальных сетях.
Разработана математическая модель процесса взаимодействия нанокристаллического прозрачного материала с внешней световой волной, обеспечивающая анализ макроскопических оптических свойств материала. В результате моделирования получена взаимосвязь между материальными параметрами наноструктуры и её макроскопическими оптическими свойствами. Предложен подход к эффективному формированию оптических свойств рабочей области многолучевого интерферометра, заключающийся в применении в качестве оптического смесительного элемента направляющей структуры, выполненной из прозрачного объёмного нанокристаллического материала.
Разработан метод определения значений показателей работоспособности сети, разработанный на основе совместного учёта тактового рассогласования и амплитудного искажения с произвольным характером распределения, учитывающий вариативность структурных свойств системы передачи и результаты предшествующей эксплуатации.
Практическая ценность. Разработан виртуальный полигон, имитирующий процессы приёма-передачи сигналов в многоканальных сетях с учётом свойств как полностью оптического компонентов, так и традиционно используемых устройств. Виртуальный полигон адаптирован для моделирования синхронных многоканальных сетей и применён для разработки плана низкозатратной модернизации городской телефонной сети общего пользования.
Предложена схемотехническая модель полностью оптического коммутатора, построенного на основе нанокристалличесокго ситалла. Разработана методика управления полностью оптическим устройством на сегменте сети, что обеспечило полностью оптический вариант исполнения протяжённого сетевого сегмента, а с этим – возможность неразборки уплотнённого по длине волны сигнала и упрощение состава оборудования. Предложена методика использования чирпированных символьно-модулированных сигналов для диагностики линий передачи сетей типа Ethernet, что обеспечило возможность коррекции взаимодействия сетевых устройств и исключения ложных остановов при передаче.
Полученные результаты могут служить физической основой построения сегментов полностью оптических сетей, использующих чирпированные символьно-модулированные сигналы, и представляют интерес при создании технологий, относящихся к хрупким нанокристаллическим материалам.
На защиту выносятся:
-
Концепция моделирования процессов взаимодействия элементов многоканальной телекоммуникационной системы, разработанная с применением введённых алгебраических объектов матричного типа, обладающих позиционной неинвариантностью строк и столбцов, введённых действий с указанными объектами, а также с применением иерархического моделирования, что позволяет формализовать многоканальные сетевые алгоритмы преобразования сигналов, учитывая реальную работоспособность аппаратных средств и свойства входных сигналов, и тем самым анализировать и прогнозировать показатели помехоустойчивости и надёжности сетей.
-
Методика моделирования процесса распространения оптического чирпированного импульсного сигнала, разработанная с применением метода встречных волн для многих взаимодействующих элементов многолучевой интерференции, учитывающая линейные и нелинейные искажающие факторы в линии, позволяющая адаптировать импульс под линию передачи с заданными свойствами по минимуму среднеквадратического отклонения его формы посредством итерационного пересчёта параметров последней относительно изначальной, полученной аналитически.
-
Математическая модель структуры электромагнитного поля в профильном резонаторе типа Фабри–Перо с произвольными параметрами профиля, полученная на основе методов конических волн и когерентного неравнофазного отражения, обеспечивающая расчёт пространственной интерференционной картины для резонаторов длиной до 200 мкм, обладающих неплоским выходным зеркалом, с точностью до 10%.
-
Математическая модель процесса взаимодействия нанокристаллического прозрачного материала с внешней световой волной, основанная на решении уравнения напряжённого нелинейного осциллятора, обеспечивающая расчёт коэффициентов, характеризующих макроскопические оптические свойства нанокристаллических материалов в линейном и нелинейном режимах мощностей с точностью до 10%.
-
Методика моделирования параметров профильного резонатора типа Фабри–Перо в составе оптической линии, на который совместно подаётся два вида оптических сигналов, разработанная с применением итерационного пересчёта параметров относительно первоначальных на основе методов конических волн и когерентного неравнофазного отражения, позволяющая оптимизировать параметры резонатора по минимуму искажений типовых сигналов, либо адаптировать параметры произвольного сигнала для резонатора с неизменно распределёнными параметрами.
-
Метод определения значений показателей работоспособности сети, разработанный на основе совместного учёта тактового рассогласования и амплитудного искажения с произвольным характером распределения принимаемых сигналов в синхронной сети, учитывающий вариативность структурных свойств системы передачи и результаты предшествующей эксплуатации, позволяющий рассчитывать её показатели работоспособности.
-
Методика построения виртуального полигона, имитирующего многоканальные сетевые процессы, разработанная на основе матричной математической модели многоканальной сети, учитывающая технические свойства полностью оптических и традиционно используемых сегментов сетей, что позволяет анализировать показатели работоспособности сети или адаптировать её технические параметры к заданным условиям эксплуатации исходя из задаваемых показателей качества выходных сигналов.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных и Российских научно-технических конференциях и семинарах, в том числе: Третьем Всероссийском семинаре, посвящённом волоконным лазерам, Уфа, 2009; Международных научно-технических конференциях «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций», Уфа, Самара, 2001–2008; Международных научно-технических конференциях «Радиолокация, навигация, связь–RLNC», Воронеж, 2001–2007; Всероссийских научных сессиях, посвящённых дню радио, Москва, 2004–2006; а также на семинарах кафедры «Телекоммуникационные системы» УГАТУ.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 68 работ, среди них 3 монографии, 3 учебных пособия, 35 статей (в том числе 27 в рецензируемых журналах из списка ВАК), более 14 публикаций в трудах конференций, семинаров, депонированных рукописях, 10 программ, на которые получены свидетельства об официальной регистрации программного продукта, 2 авторских свидетельства, 1 патент РФ и 1 свидетельство об официальной регистрации интеллектуального продукта.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка используемой литературы и приложения. Содержит 245 с. машинописного текста, 95 рисунков, список использованной литературы из 141 наименований, приложения на 6 с.
