Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Общие положения теории надежности и особенности ее применения для анализа пассивных оптических сетей 14
1.1 Анализ методов построения пассивных оптических сетей. Обзор элементной и технологической основы пассивных оптических сетей 14
1.2 Понятие отказа в пассивных оптических сетях и их классификация 22
1.2.1 Постепенные отказы 24
1.2.2 Внезапные отказы 29
1.3 Методика оценки надежности пассивной оптической сети 30
1.3.1 Показатели надежности невосстанавливаемых элементов сети 31
1.3.2 Показатели надежности восстанавливаемых элементов сети 33
1.3.3 Расчет показателей надежности 35
Выводы по главе 1 39
Глава 2. Прогнозирование постепенных отказов линии в пассивных оптических сетях 41
2.1 Постепенные отказы кабельного сегмента пассивных оптических сетей 41
2.1.1 Анализ механических нагрузок, испытываемых оптическим кабелем при прокладке и эксплуатации 43
2.1.2 Оценка срока службы кабеля на основании данных о воздействующих на него механических нагрузках 50
2.2 Лабораторные исследования параметров надежности элементов пассивной оптической сети 52
2.2.1 Форсированные испытания оптических сплиттеров 56
2.2.2 Форсированные испытания механических соединителей оптических волокон 59
2.2.3 Форсированные испытания разъемных оптических соединителей 61
2.2.4 Испытания сварного соединения 64
2.3 Анализ результатов эксперимента 65
2.3.1 Методика оценки погрешности результатов измерений 66
2.3.2 Расчет погрешности результатов измерений 70
2.4 Расчет общих и возвратных потерь в линии на основе данных эксперимента. 71
2.5 Оценка интенсивности постепенных отказов пассивных оптических сетей 74
Выводы по главе 2 77
Глава 3. Прогнозирование интенсивности внезапных отказов в структурах PON . 79
3.1 Определение исходных данных 84
3.2. Подготовка и нормализация исходных данных 86
3.3 Структура искусственной нейронной сети 95
3.4 Обучение искусственной нейронной сети 96
3.5 Моделирование искусственной нейронной сети 102
3.6 Оценка интенсивности внезапных отказов линии, пассивной оптической сети 113
Выводы по главе 3 113
Глава 4. Прогнозирование отказов физического канала пассивной оптической сети 115
4.1 Оценка затрат на эксплуатацию сети с учетом данных о надежности 117
4.2 Перспективы развития предложенной методики 121
4.3 Практическое внедрение методики прогнозирования отказов 126
Выводы по главе 4 128
Заключение 130
Список литературы 132
- Анализ методов построения пассивных оптических сетей. Обзор элементной и технологической основы пассивных оптических сетей
- Анализ механических нагрузок, испытываемых оптическим кабелем при прокладке и эксплуатации
- Подготовка и нормализация исходных данных
- Перспективы развития предложенной методики
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Распоряжением Правительства Российской Федерации от 20 октября 2010 г. № 1815-р утверждена программа «Информационное общество (2011–2020 годы)», целью которой является получение гражданами и организациями преимуществ от применения информационных и телекоммуникационных технологий.
Высокая стоимость и недостаточное качество предоставляемых населению услуг связи обозначены программой в качестве факторов, сдерживающих развитие информационного общества в России. Причиной этому факту послужило несоответствие сетей связи растущим потребностям пользователей, в связи с чем в качестве одного из основных этапов реализации программы предусмотрено развитие (строительство и реконструкция) телекоммуникационных сетей, в особенности сетей абонентского доступа с применением наиболее эффективных современных технологий. Одной из востребованных технологий построения сетей широкополосного абонентского доступа (ШПД) является технология пассивных оптических сетей (PON). За последние несколько лет в России наблюдалось активное строительство сетей на основе этой технологии. По некоторым оценкам на сегодняшний день монтированная емкость сетей ШПД, построенных по технологии PON, составляет более миллиона портов.
Ввиду возрастающей роли сетей связи в жизни человека особого внимания требуют вопросы их надежности. Нарушение их работоспособности нередко воспринимается пользователями крайне болезненно, отказы в работе сети негативно влияют на репутацию оператора, что особенно критично в условиях повышенной конкуренции на рынке услуг связи. Для управления рисками, связанными с возможными отказами сетей связи, необходимо иметь методику, позволяющую прогнозировать показатели надежности элементов сети и выявлять факторы, способствующие возникновению отказов. Кроме того, достоверные данные о прогнозируемом количестве и характере отказов позволяют более эффективно управлять ресурсами, что в конечном счете может стать дополнительным преимуществом перед конкурентами. Данные о надежности необходимо учитывать как на этапе проектирования, так и в процессе эксплуатации. Традиционные методики оценки надежности сетей связи требуют длительного времени для сбора необходимого количества статистических данных и, как правило, не учитывают внешние факторы среды, в которой эксплуатируется сеть, что делает подобные методики малоэффективными. В связи с этим обстоятельством актуальной и востребованной является задача разработки методики прогнозирования отказов в пассивных оптических сетях, учитывающей структуру сети, элементную базу и условия внешней среды, в которой эта сеть эксплуатируется.
Степень научной разработанности проблемы. Исследованию надежности телекоммуникационных сетей и их элементов посвящены работы ряда отечественных и зарубежных ученых (А. Е. Кучерявого, В. А. Зеленцова,
А. И. Осадчего, И. Е. Никульского, А. К. Канаева, Н. А. Соколова, В. А. Нетеса, Б. К. Никитина, Г. П. Башарина, С. А. Букринского, Б. П. Филина, А. Д. Харке-вича, М. А. Шнепса, В. Е. Меркулова, Э. И. Комарницкого, В. П. Шувалова, М. М. Егунова, S. Pierre, K. T. Newport, A. Piccirillo, Т. Volotinen, М. Gadonna, F. Caloz, Y. Hibino и многих других авторов).
Для большинства этих работ характерны обобщенные модели исследования сетей с применением теории массового обслуживания без учета особенностей физической среды распространения сигнала, либо исследование отдельных элементов сети без учета возможного влияния процессов, проходящих в этих элементах, на состояние сети в целом. В настоящее время известно мало работ, посвященных исследованию отказов в сетях ШПД, ещё меньше работ, учитывающих при этом особенности среды распространения сигнала. Описанию функционирования современных волоконно-оптических сетей посвящены работы Р. Р. Убайдулаева, А. И. Осадчего, А. К. Канаева, И. Е. Никульского, Н. Н. Слепова, Л. Н. Кочановского, С. Ф. Глаголева, Б. К. Никитина, В. Я. Гитина и других авторов. В этих работах проводится практический анализ работы волоконно-оптических сетей связи (в том числе применяемых для организации ШПД), описываются принципы их работы, рассматриваются различные аспекты их проектирования, строительства и эксплуатации.
К основным недостаткам известных научных трудов можно отнести: отсутствие методов выбора критериев отказа физического канала пассивных оптических сетей и отсутствие методов прогнозирования отказов физического канала волоконно-оптических линий связи.
Кроме того, известно достаточно много публикаций, посвященных качеству обслуживания (QoS) в сетях связи. Под термином «QoS» понимается единица измерения уровня обслуживания, предоставляемого в сети. В ряде случаев этот термин служит обозначением вероятности прохождения пакета между двумя точками сети. Стоит отметить, что проведение расчетов качества обслуживания в сетях связи без учета надежности физического канала может привести к существенной погрешности при оценке качества предоставляемых телекоммуникационных услуг.
Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы состоит в разработке эффективных способов прогнозирования интенсивности отказов физического канала сетей ШПД на основе технологий PON, а также разработке рекомендаций по практическому применению прогноза интенсивности отказов при проектировании и эксплуатации сетей.
Проведение теоретических и практических исследований, направленных на достижение цели диссертационной работы, требует решения следующих задач:
проведение анализа методов построения, элементной и технологической основы PON;
сбор статистических данных об отказах элементов физического канала PON;
исследование отказов физического канала PON, разработка критериев и классификации отказов;
анализ механических воздействий, испытываемых оптическим кабелем при прокладке и эксплуатации, определение взаимосвязи между испытываемыми кабелем механическими нагрузками и временем обрыва волокна, находящегося в нем;
проведение форсированных испытаний на надежность элементов физического канала PON;
разработка методики прогнозирования интенсивности внезапных отказов пассивных оптических сетей.
Научная новизна работы характеризуется получением оригинальных теоретических и практических результатов:
предложена модель расчета возвратных потерь волоконно-оптической линии, позволяющая оценить возвратные потери линии PON без проведения измерений;
предложен алгоритм расчета наработки на отказ кабельного сегмента PON, учитывающий влияние механических нагрузок, испытываемых кабелем, на удлинение оптического волокна, содержащегося в нем;
разработана методика прогнозирования интенсивности постепенных отказов физического канала PON, на основе результатов форсированных испытаний элементов физического канала PON;
разработана методика прогнозирования интенсивности внезапных отказов физического канала PON, основанная на использовании моделей искусственных нейронных сетей;
предложены уравнения для оценки экономической целесообразности резервирования элементов PON и оценки стоимости эксплуатации физического канала PON, учитывающие интенсивность отказов элементов.
Теоретическая и практическая ценность работы. В процессе выполнения теоретических и экспериментальных исследований предложена методика прогнозирования отказов физического канала PON, разработано программное обеспечение, позволяющее на стадии проектирования провести оценку основных составляющих, влияющих на надежность сети в целом.
Предложенные в диссертационной работе методики прогнозирования внезапных и постепенных отказов, а также способы оценки экономической целесообразности резервирования и оценки стоимости эксплуатации элементов физического канала пассивных оптических сетей, нашли применение в ОАО «Ростелеком».
Разработанная в диссертационной работе методика прогнозирования отказов физического канала PON, а также модель расчета возвратных потерь линии без проведения измерений, используются при проектировании сетей ШПД на основе технологий PON в ООО «Лентелефонстрой-Проект». Результаты проведенного в диссертации форсированного испытания элементов физического канала PON учтены при разработке оптических распределительных устройств ООО «Лентелефонстрой-ОЗ».
На основе показанной в диссертационной работе взаимосвязи между испытываемыми кабелем механическими нагрузками и сроком наступления отказа, в организациях холдинга разработан и реализован комплекс мероприятий по обеспечению качества выполняемых работ.
Результаты проведенного в диссертационной работе анализа методов построения и элементной основы PON используются в учебном процессе НОУ «Лентелефонстрой-УВЦ». Некоторые результаты диссертационной работы внедрены в ЗАО «ЭР-Телеком Холдинг», ГУП НАО «Ненецкая компания электросвязи», ООО «СулуС».
На основе результатов диссертации разработана и реализована лабораторная установка «Модель пассивной оптической сети», внедренная в учебный процесс Института военного образования СПбГУТ им. проф. М. А. Бонч-Бруевича. Лабораторная установка позволяет проводить учебные занятия по поиску и анализу дефектов на линии, оценке параметров неоднородностей, оценке оптического бюджета линии, оценке влияния состояния физического канала на качество передачи сигналов, идентификации несанкционированных подключений.
Методология и методы исследований. При исследовании вопросов надежности физического канала PON использованы элементы теории вероятностей, статистической обработки данных, метод форсированных испытаний на надежность (HAST) и нейросетевые методы. Для анализа и реконфигурации статистических данных, а также для моделирования искусственной нейронной сети, применялся программный продукт STATISTICA 10 корпорации Statsoft.
При построении формальной схемы физического канала PON был применен метод идеализации и абстрагирования.
Личный вклад автора. Все основные результаты диссертационной работы получены автором лично.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
модель расчета возвратных потерь линии PON;
алгоритм расчета наработки на отказ кабельного сегмента PON на основании данных о механических нагрузках, испытываемых кабелем;
методика прогнозирования постепенных отказов физического канала PON;
методика прогнозирования внезапных отказов физического канала PON на основе моделей искусственных нейронных сетей;
Степень достоверности и апробация результатов. Результаты диссертации докладывались и обсуждались на 63-й научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов СПбГУТ (Санкт-Петербург, 2011), международной конференции «Современные технологии проектирования, строительства и эксплуатации линейно-кабельных сооружений» (Санкт-Петербург, 2011), Международной научно-технической и научно-методической конференции «Актуальные
проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании» (Санкт-Петербург, 2012–2013).
Достоверность исследований подтверждается корректностью применяемых методов исследования и обоснованным использованием результатов из различных предметных областей; отсутствием противоречия результатов диссертационной работы и сделанных на их основании выводов известным научным данным, положительными результатами опытной эксплуатации разработанной методики в организациях телекоммуникационной отрасли.
Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 11 работах, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем диссертации составляет 193 страниц с приложениями, в том числе 27 рисунков и 64 таблицы. Список литературы содержит 71 наименование.
Анализ методов построения пассивных оптических сетей. Обзор элементной и технологической основы пассивных оптических сетей
Технология пассивных оптических сетей (PON) предусматривает построение сети широкополосного доступа при минимальных капитальных затратах. Такое решение предполагает создание разветвленной сети (рисунок 1.1) без активных компонентов – на пассивных оптических разветвителях (сплиттерах). Информация для всех пользователей передается одновременно с временным разделением каналов от оптического линейного терминала (OLT) до абонентских терминалов (ONT/ONU), в большинстве случаев, расположенных на территории абонента (квартире, доме, офисе). Передача и прием в обоих направлениях производится, как правило, по одному оптическому волокну (ОВ), но на разных длинах волн. Оптическая мощность с выхода OLT делится оптическими сплиттерами (равномерно или неравномерно) таким образом, чтобы уровень сигнала на входе всех ONT/ONU был примерно одинаков.
В случае, когда одна из длин волн (например, 1550 нм) выделяется для передачи телевизионного сигнала всем абонентам, на станции устанавливается оптический мультиплексор WDM, предназначенный для объединения передаваемых сигналов на длинах волн 1490 нм (голос, данные) и 1550 нм (видео). В обратном направлении сигнал (голос, данные) передается на длине волны 1310 нм. Пассивные оптические сети согласно рекомендациям [40, 41, 42] подразделяются на следующие типы:
BPON – широкополосная PON (продолжение APON);
GPON – Gigabit PON;
EPON – Ethernet PON. Основные характеристики стандартов PON приведены в таблице 1.1. Физическая среда распространения сигнала для различных модификаций PON остается практически неизменной.
При построении сети используются топологии «звезда», «шина» и «дерево».
Топологию «звезда» (рисунок 1.2) целесообразно применять при плотном расположении абонентов в районе станции. Данная топология характеризуется минимальным количеством оптических разветвителей и единственным местом их установки. Достоинства данной топологии: удобство в обслуживании, проведении эксплуатационных мероприятий и локализации места повреждения.
Топология «шина» (рисунок 1.3) используется при расположении абонентов вдоль оптической магистрали. Основной недостаток этой топологии заключается в большой разности выходных мощностей оптических сплиттеров. Данная топология требует тщательного расчета уровня оптического сигнала на этапе проектирования - для подбора неравномерных разветвителей (с неравномерным разделением мощности по выходным портам) таким образом, чтобы входная оптическая мощность на каждом оптическом приемнике соответствовала его чувствительности. Топология «шина» может быть рекомендована для применения при линейном расположении пользователей вдоль магистрали и только при небольшом количестве каскадов. Классическим примером по праву являются территории с невысокой плотностью населения (сельская местность, пригород). Рисунок 1.3 Топология шина
Топология «дерево» (рисунок 1.4) применяется при разнесенном расположении абонентов. Оптимальное распределение мощности между различными ветвями достигается подбором коэффициентов деления оптических сплиттеров. Древообразная топология является гибкой - с точки зрения потенциального развития и расширения абонентской базы.
Каждая топология имеет свои достоинства и недостатки - с точки зрения экономии оптического кабеля, удобства тестирования, эксплуатации, обслуживания и возможности развития сети. Сравнительная характеристика всех трех топологий приведена в таблице 1.2. Таблица 1.2
Сеть по технологии PON состоит из трех основных участков:
станционный участок - это активное оборудование OLT, WDM мультиплексор и оптический кросс высокой плотности, смонтированные на узле электросвязи (в помещении АТС);
линейный участок - это волоконно-оптический кабель (ВОК), шкафы, коробки, сплиттеры, коннекторы и соединители, используемые между станционным и абонентским участками;
абонентский участок - это персональная абонентская разводка кабелем от элементов общих распределительных устройств до оптической розетки и активного оборудования ONT в квартире абонента; или до группового сетевого узла ONU, смонтированного в офисе корпоративного клиента.
Линейный терминал (OLT) располагается на станции (в помещении АТС), район обслуживания которой определяет зону охвата сетью PON. Активное станционное оборудование PON, в качестве которого выступает OLT, связывает оконечное оборудование абонентов с сетью Интернет и другими источниками услуг по передаче голоса, данных и видео (услуга Triple Play).
Линейные порты PON оборудования OLT подключаются к оптическому кроссу высокой плотности (ODF) с помощью оптических шнуров (патч-кордов) или оконцованных микрокабелей (предтерминированных производителями в заводских условиях). Оптический кросс ODF предназначен для распределения ВОК по направлениям перекроссировки (коммутации) и соединения со станционным ВОК через сплайс-пластины (кассеты и боксы для сварных соединений).
Линейный участок, для создания которого необходимо выполнить наиболее трудоемкие строительно-монтажные работы, требует наиболее тщательного подхода для оптимального его построения, так как именно линейный участок определяет итоговую топологию PON.
В сети PON связь осуществляется через пассивные оптические разветвители (сплиттеры), которые устанавливаются в оптических Рисунок 1.5 Одноуровневая схема включения сплиттеров распределительных коробках (ОРК) и/или в оптических распределительных шкафах (ОРШ) (реже - в механических оптических муфтах). На сети может быть использована как одноуровневая (однокаскадная) схема включения сплиттеров без последовательного их включения друг за другом (рисунок 1.5), так и многоуровневая схема с последовательным размещением (рисунок 1.6)
Анализ механических нагрузок, испытываемых оптическим кабелем при прокладке и эксплуатации
Повышенное напряжение оптических волокон в кабеле после прокладки может свидетельствовать о нарушениях технологии при строительстве линии или просчетах при проектировании. Нарушение технологии может привести к серьезным кратковременным нагрузкам, которые в дальнейшем могут негативно отразиться на сроке службы кабеля. Характер подобных кратковременных нагрузок может быть для каждого случая различным. Рассмотрим методы расчета внешней растягивающей силы, действующей на кабель, для основных методов его прокладки, используемых при строительстве пассивных оптических сетей.
Наиболее известным способом прокладки кабеля (при создании сетей широкополосного доступа) является прокладка кабеля в телефонной канализации.
При прокладке оптического кабеля в канализации - необходимо оценить влияние трения на величину тягового усилия [48] (особенно - при изменении маршрута прокладки в горизонтальной и вертикальной плоскостях). В общем случае, тянущее усилие Т, необходимое для прокладки кабеля в канал, определяется коэффициентом трения (Ктр) между материалом оболочки кабеля и материалом кабельного канала и остаточной нагрузкой Т0:
Рисунок 2.3 горизонтальный изгиб кабеля Для определения растягивающих нагрузок на кабель, вызванных представленными типами отклонений маршрута прокладки, можно воспользоваться следующими выражениями:
При прокладке ВОК в кабельной канализации, необходимо учитывать возможность наличия сложного маршрута, требующего изгиба кабеля по горизонтали и вертикали. Для снижения риска возникновения высоких нагрузок, действующих на ВОК, целесообразно равномерно распределить тяговые усилия вдоль длины кабеля. Существенный вклад в увеличение нагрузки на кабель при протяжке, вносит коэффициент трения материалов, из которых выполнена кабельная канализация. Для снижения коэффициента трения целесообразно при прокладке кабеля использовать смазочные вещества, например, жидкий парафин с нейлоновыми микро шариками. Однако, при выборе смазочных веществ, необходимо учитывать конкретные условия прокладки (температура, влажность), так как при определенных условиях вязкость смазочных веществ может увеличиться, что приведет к увеличению нагрузки при протяжке кабеля. При эксплуатации кабельного участка, проложенного в канализации, повышенные механические напряжения могут иметь место в случае превышения минимально допустимого радиуса изгиба оптического волокна, что, как правило, является следствием нарушения технологии прокладки кабеля при строительстве.
Помимо прокладки в телефонной канализации существенное количество сетей широкополосного доступа строятся с применением технологии подвеса оптического кабеля; география применения подобного метода весьма разнообразна. Метод подвеса используется как в городской черте, при этом, как правило, подвес кабеля осуществляется между зданиями, так и в пригородных населенных пунктах, где зачастую отсутствует телефонная канализация, при этом кабель подвешивается на специальных опорах.
При прокладке кабеля методом подвеса необходимо учитывать достаточно большое количество факторов, среди них можно выделить основные: длина пролета, стрела провиса, колебания температуры, распределение массы кабеля вдоль пролета, возможность обледенения, силу ветра.
Суммарную единичную результирующую нагрузку на подвешенный кабель можно определить по следующим выражениям:
Прокладка кабеля в канализацию и подвес - это два наиболее известных метода прокладки кабеля при строительстве сетей широкополосного доступа, которые в большей степени развиты в городах. Однако программы по развитию сетей связи в России предусматривают активное строительство сетей широкополосного доступа в пригородах и сельской местности, где зачастую наиболее приемлемым способом прокладки кабеля может оказаться прокладка кабеля непосредственно в грунт.
С целью снижения затрат на строительство, строительные организации стремятся максимально механизировать процесс прокладки кабеля в грунт, используя для этого кабелеукладчики. При прокладке с помощью кабелеукладчика, кабель испытывает растягивающие усилие [40], ориентировочное значение которого можно определить при помощи выражения:
Подготовка и нормализация исходных данных
Для корректной работы модели, необходимо, чтобы данные, подаваемые на вход искусственной нейронной сети, были правильно подготовлены. Форма представления входных сигналов может быть самой разной. При этом можно справедливо предположить, что успех решения во многом зависит от представления данных. Это приводит к тому, что разработка решений на основе искусственных нейронных сетей становится творческим процессом. Основной задачей нейронной сети является наилучшее обучение модели для решения поставленной задачи. Знания об объекте исследования включают два типа информации.
Известное состояние объекта исследования, представленное имеющимися в наличии достоверными фактами.
Наблюдения за объектом. Обычно такие наблюдения в значительной мере зашумлены, что потенциально может стать источником ошибок. В любом случае, результаты, полученные таким способом, формируют множество информации, примеры из которой используются для обучения нейронной сети.
Множество пар исходных сигналов и соответствующих им реакций исследуемого объекта называют обучающими данными или обучающей выборкой нейронной сети. Вопрос представления знаний в нейронной сети является сложным. Тем не менее, можно выделить три общих правила.
Первое правило заключается в том, что входные сигналы из одного класса надежности должны формировать единое представление в нейронной сети. Исходя из этого, они должны быть классифицированы как принадлежащие к одной категории. Существует множество подходов к определению степени сходства входных сигналов. Обычно, степень подобия определяется на основе Евклидова расстояния.
Второе правило гласит, что элементы, отнесенные к различным классам надежности, должны иметь в нейронной сети как можно более отличные представления.
Согласно третьему правилу, если некоторое свойство имеет важное значение, то для его представления в нейронной сети необходимо использовать большее количество нейронов.
При подготовке данных необходимо, чтобы они были выражены в числах и лежали в допустимом диапазоне. Если этого не сделать, то возможны следующие проблемы: 1) нейроны входного слоя или окажутся в постоянном насыщении или будут все время заторможены;
2) весовые коэффициенты примут очень большие или очень малые значения при обучении, и, как следствие, растянется процесс обучения и снизится точность работы сети.
Один из распространенных способов приведения данных в допустимый диапазон — масштабирование:
Сбор данных для обучения сети и их обработка являются одним из наиболее сложных этапов решения задачи. Обучающий набор данных представляет собой совокупность наблюдений, для которых указаны значения входных и выходных переменных. Выбор переменных осуществляется на первом этапе решения задачи в результате анализа. На первоначальном этапе целесообразно включить все переменные, которые могут влиять на результат. В дальнейшем можно сократить это множество за счет исключения факторов, оказывающих незначительное влияние на результат. К входным данным искусственной нейронной сети, определяющей интенсивность внезапных отказов сети, отнесены:
- место размещения элемента сети;
- плотность населения (количество человек на км2);
- состояние кабельной канализации;
- категория грунтов (номер категории);
- состояние жилого фонда;
- уровень преступности (количество преступлений на 100 000 жителей);
- количество конкурирующих организаций (шт.); - максимально выдерживаемое механическое воздействие дополнительной защиты элемента (Дж);
- максимально допустимое сдавливающее усилие применяемого кабеля (кН);
- максимально допустимое растягивающее усилие кабеля (кН);
- климатические условия;
Численные значения входных данных для обучения искусственной нейронной сети получены вследствие сбора и анализа статистических данных внезапных отказов сетей широкополосного абонентского доступа, функционирующих в различных регионах России. При этом для каждого элемента с максимально возможной достоверностью определялись численные значения факторов, приводящих к внезапному отказу. Для определения значений внезапных отказов элементов пассивной оптической сети, в зависимости от влияния различных факторов, использовалась статистика по аналогичным элементам иных сетей. Например, волоконно-оптический кабель и муфты, применяемые в сетях FTTB, сетях мобильной связи, сетях транспортного уровня.
Приведение исходных данных к требуемому виду, помимо проблемы масштабирования, сопряжено с проблемой приведения к числовому виду данных, носящих заведомо не числовой характер. В решаемой нами задаче к таким данным относятся:
- место размещения элемента сети;
- состояние коммуникаций и состояние жилого фонда;
- климатические условия;
Естественным решением проблемы может быть введение обозначений с номинальными численными значениями для каждой разновидности рассматриваемого фактора. Например в случае размещения кабеля в aканализации. На вход сети, отвечающий за место размещения кабеля, подается единица, в случае подвеса – двойка и так далее. Однако в таком случае метод прокладки кабеля подвесом будет восприниматься сетью приводящим к отказам в два раза больше, нежели при прокладке в канализации. Этот факт может привести к существенной ошибки при оценке интенсивности внезапных отказов искусственной нейронной сетью.
Анализ литературы по искусственным нейронным сетям [76-79] показал, что для решения может быть применена экспертная оценка, которая должна быть присвоена каждому фактору. Однако реализация этого принципа может оказаться весьма затруднительной в решаемой нами задачи. Также это может привести к потере универсальности разработанной модели, так как результаты экспертной оценки, проведенной в одном регионе, могут оказаться не соответствующими действительности в другом регионе. Для того чтобы избежать недостатков введения номинальных численных значений и экспертной оценки, необходимо выделить в каждом факторе взаимоисключающие категории, и предусмотреть для каждой категории отдельный узел входных данных. При этом каждой категории будет соответствовать коэффициент передачи, что позволит избежать недостатка, характерного для метода с номинальным численными значениями для каждой категории и последующий их подаче через один узел входных данных, так как подстройка коэффициента передачи позволит изменять уровень влияния каждого из факторов. Выделим категории для каждого нечислового фактора.
Перспективы развития предложенной методики
Предложенная в настоящей работе методика прогнозирования отказов физического канала пассивных оптических сетейможет быть использована для прогнозирования отказов в волоконно-оптических линиях связи и любых других сетях, состоящих из элементов, рассмотренных в диссертации.
Ввиду активно растущих требований к широте полосы пропускания, востребованными оказываются методы реконструкции в среднесрочной и долгосрочной перспективе, пассивных оптических сетей с целью увеличения пропускной способности канала связи между абонентом и оператором. К перспективным направлениям реконструкции пассивных оптических сетей можно отнести создание на базе их инфраструктуры сетей типа WDM-PON и сетей «точка-точка». WDM-PON предлагает альтернативу схеме передачи, основанной на разделении во времени, используемой в традиционных пассивных оптических сетях. Технология WDM-PON использует для передачи данных волновую сетку DWDM, что позволяет организовать большое количество параллельных высокоскоростных каналов поверх одной структуры PON. Стандартная архитектура WDM-PON предусматривает замену пассивных сплиттеров на волновые селективные фильтры, которые часто реализованы как решетка на основе массива волноводов (Arrayed Waveguide Grating - AWG). Схожесть структур PON и WDM-PON позволяет использовать предложенную в диссертации методику прогнозирования отказов для анализа сетей WDM-PON. Однако при этом стоит учитывать, что применение селективных фильтров вместо традиционных оптических сплиттеров существенно снизит общие потери сигнала, что приведет к увеличению мощности обратно отраженного и обратно рассеянного сигнала, за счет отражений и рассеяния с участка, находящегося за селективным фильтром. В традиционных пассивных оптических сетях подобными отражениями и рассеянием можно было пренебречь, так как они претерпевали существенное затухание при прохождении через сплиттер.
Существенным преимуществом предлагаемой в диссертации методики -является возможность е применения для анализа пассивных оптических сетей различных модификаций. Модели и выводы, полученные для пассивных оптических сетей, также могут быть использованы при анализе иных видов сетей связи, в частности сетей FTTB. Сети FTTB имеют схожую структуру с пассивными оптическими сетями, однако строятся с применениям ряда элементов, отсутствующих в пассивных оптических сетях. К таким элементам, в первую очередь, можно отнести коммутаторы и элементы физической среды распространения, построенной на основе электрических кабелей связи. Проведя исследования отказов этих элементов, а также дополнив представленную в диссертации методику получившимися данными, можно существенно расширить горизонт е применения. Аналогичным образом можно поступить и с остальными реализациями семейства технологий FTTx. Это позволит не только оценивать показатели надежности отдельных проектных решений, но и осуществлять выбор наиболее оптимальной технологии для конкретного случая.
Одним из перспективных и востребованных направлений для исследования в области надежности сетей широкополосного доступа, является разработка эффективных методов резервирования. Традиционные методы резервирования физического канала, как правило, требуют строительства дополнительной линии, физически разнесенной с основной линией. Подобное решение увеличивает стоимость строительства сети практически в два раза. Одним из возможных способов резервирования (на случай повреждения физического канала пассивной оптической сети на распределительном участке многоквартирного дома) может быть создание беспроводной (wi-fi) самоорганизующейся сети при помощи оптических абонентских терминалов (ONT). Большинство современных оптических терминалов поддерживает беспроводную передачу данных по стандартам серии IEEE 802.11. В таблице 4.1 приведен перечень локальных интерфейсов, имеющихся в устройствах, устанавливаемых абонентам пассивных оптических сетей в ряде регионов России.
Стандарты серии IEEE 802.11, в частности 802.11n, теоретически способны обеспечивать передачу данных на скорости до 600 Мбит/с. Дальность связи для различных моделей устройств может отличаться, среднее значение дальности связи, устройств со штатной антенной (усиление порядка 2dBi), в помещении составляет около 40 метров. Как показывает практика, большинство современных устройств стандарта 802.11 - имеют характеристики, достаточные для организации связи между смежными квартирами в большинстве типовых многоквартирных домов. Таким образом, способ резервирования связи посредством беспроводных модулей, входящих в состав современных ONT, можно считать вполне реализуемым.
На период отсутствия или нарушения связи с OLT, оптический сетевой терминал в автоматическом режиме подключается к работоспособным устройствам, что позволит организовывать резервный канал связи (на время восстановительных работ). Безусловно, пропускная способность резервного канала будет ниже скорости основного канала, однако, при благоприятных условиях, пропускной способности резервного канала может быть вполне достаточно для выполнения необходимых операций (проверка электронной почты, просмотр веб-страниц и т.д.). Значение пропускной способности резервного канала будет определяться условиями среды, в которых функционирует система (дальность, наличие преград, наличие помех и т.д.). Для достижения наилучших результатов целесообразно подключать квартиры на одном этаже от различных сплиттеров и разных шкафов (Рис. 4.1).
