Введение к работе
Актуальность темы. Одной из основных задач телекоммуникационных систем является расширение сферы предоставляемых услуг и повышение их качества, что особенно важно для сетей городского масштаба (Metropolitan Area Networks - MAN). Успешное её решение возможно только при высокой экономической эффективности работы сети, а именно - при согласованной работе устройств, равномерном использовании сетевых ресурсов без создания перегруженных центров, обеспечении качества передачи. Всё это делает актуальным разработку подходов к оптимальному построению сетей с этой точки зрения, при условии обеспечения наибольшего количества каналов, что также актуально для сетей типа MAN. Перспективной также является тенденция внедрения оптических технологий не только в ядре сети, но и на сегментах абонентского доступа. Но сегодня оптические технологии используются лишь в пассивном варианте, а их внедрение на абонентских сегментах является весьма редким случаем. Принятый стандарт сетей PON (Passive Optical Networks) предполагает использование электронного окончания. Это связано с ограниченным количеством полностью оптических каналов, то есть нецелесообразностью их развития к абонентам. В ядре сети оптические технологии пока не используются для обработки сигналов, хотя их масштабное внедрение даже в пассивном варианте позволило бы снизить уровень, на котором выполняется операция, а значит повысить быстродействие протекания сетевых процессов.
Существующие методики построения сетей не в полной мере учитывают свойства полностью оптических эффектов и возможности соответствующей элементной базы. Следовательно, они не всегда позволяют произвести подстройку параметров сети под поставленные телекоммуникационные задачи, что в ряде случаев сводит на нет достигнутые результаты. Следовательно задачи развития подходов к использованию полностью оптических решений для выполнения операций управления сетевыми процессами, позволяющих не только масштабнее использовать оптику, но и снизить сетевой уровень управления; разработки математических моделей для описания таких сетевых процессов и разработки принципов построения сетевых устройств на основе применения полностью оптических эффектов и методик определения их оптимальных конструктивных параметров являются актуальными при проектировании, разработке и модернизации волоконно-оптических цифровых сетей.
Исследования посвящены разработке подходов к расширению функциональности сетей городского масштаба с применением полностью оптических решений и нахождению оптимальных параметров для них.
Цель работы. Разработка методов оптимизации сетевых параметров с применением оптических решений и моделирование сетевых процессов для вновь получаемых сетей с учётом аддитивного шума, девиации временного интервала, возможных нарушений сложной структуры цифрового сигнала и реальной работоспособности (загрузки, длительности обслуживания) линий связи и оборудования узловых станций.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:
Разработка метода повышения эффективности функционирования оптических сетей, позволяющего разгрузить ресурсы вышестоящего сетевого узла при взаимодействии абонентов между собой, а также позволяющего увеличить быстродействие обработки сигналов.
Разработка метода, позволяющего оптимально увеличить количество абонентских каналов при условии поддержки качества обслуживания и сохранении значения степени узлового соединения.
Разработка метода определения трафиковых долей потоков и топологии много- и однопутевого графа, позволяющего находить оптимальные пути для передачи сигналов служебных подсистем по критерию минимизации уровня дрожания фазы (джиттера) и взвешенной суммы межконцевых задержек сообщений.
Разработка вычислительной методики оценки и повышения значений показателей надёжности и помехоустойчивости системы телекоммуникаций, позволяющей проводить перерасчет пропускных способностей линий связи и трафиковых долей потоков для последующей адаптации сетевой топологии к конкретным условиям эксплуатации.
Разработка метода и схемотехнического подхода, обеспечивающих снижение девиации временного интервала в объединённом абонентском сигнале с применением полностью оптического решения.
Методы исследований. В работе использованы положения теории графов, случайных процессов, дифференциальных уравнений. Применены методы математического моделирования, в том числе компьютерного. Проведён вычислительный эксперимент с использованием результатов эксплуатации действующей телекоммуникационной системы.
Объектом исследования являются волоконно-оптические сети, используемые для реализации абонентских окончаний.
Предмет исследования: теоретические, методические и практические вопросы повышения эффективности функционирования оптических сетей с использованием полностью оптических решений.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Разработан метод повышения эффективности функционирования сегмента оптической сети, отличающийся от традиционных методов построения пассивных оптических сетей тем, что использован звездообразный разветвитель на абонентской части и дополнительный протокол взаимодействия абонентов в пределах сегмента (без задействования центрального узла) на основе их X-адресов и с учётом наиболее вероятных текущих состояний.
Предложен метод определения параметров сетевой топологии оптической сети, отличающийся от известных тем, что при проведении расчётов параметров выполнена совместная оценка вероятности достоверного приёма сообщения, вероятности битовой ошибки на приёме сообщений и времени доставки сообщения до абонента.
Предложен метод маршрутизации сигналов, основанный на определении трафиковых долей потока с последующим выбором топологии для одно- и многопутевого графа, отличающийся от традиционных тем, что при проведении расчётов учтены эксплуатационные параметры цифровой сети.
Предложен метод снижения девиации временного интервала в групповом абонентском сигнале, отличающийся от известных сетевым использованием волоконно-оптической петлевой схемы, вырабатывающей оптический сигнал управления положением строб-сигнала для оптического мультиплексора.
Практическая ценность состоит в повышении эффективности функционирования сегмента оптической сети посредством разгрузки ресурсов центрального (вышестоящего) сетевого узла в задаче взаимодействия абонентов на рассматриваемом сегменте, а также увеличения скорости обработки информации за счёт применения предложенного протокола и оптимальной сетевой топологии при условии сохранения помехоустойчивости и надёжности передачи на установленном нормативно-технической документацией уровне и обеспечении наибольшего количества каналов.
На защиту выносятся:
Метод повышения эффективности функционирования сегмента оптической сети, разработанный на основе использования звездообразного разветви-теля на абонентской части и нового протокола взаимодействия абонентов, позволяющий разгрузить ресурсы центрального (вышестоящего) сетевого узла в задаче взаимодействия абонентов между собой, а также увеличить скорость обработки информации.
Метод увеличения количества абонентских каналов на звездообразной оптической сети, основанный на привлечении режима TDM-мультиплексирования с параметрами, рассчитываемыми в результате совместной оценки вероятности достоверного приёма сообщения, вероятности битовой ошибки и времени доставки сообщения до абонента, позволяющий получить
оптимальную топологию сети по критерию обеспечения наибольшего количества каналов при поддержке качества передачи согласно действующим стандартам и обеспечивающая сохранение значения степени узлового соединения.
Метод определения трафиковых долей потоков и топологии много- и однопутевого 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 как для передачи абонентских сигналов, так и сигналов служебных подсистем по критерию минимизации взвешенной суммы межконцевых задержек сообщений и алгоритмического джиттера соответственно.
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.
Метод снижения девиации временного интервала в групповом абонентском сигнале на основе применения волоконно-оптической синхронизирующей петли, обеспечивающий подстройку синхронности абонентских сигналов и «маски» тактовых интервалов устройства TDM посредством применения эффекта фазовой кросс-модуляции близких по длине волны оптических сигналов.
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на одиннадцатой международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций», г. Уфа, 2010; XI Международной научно-технической конференции «Информационно-вычислительные технологии и их приложения» г. Пенза, 2010; Международной научной заочной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии», г. Липецк, 2010; Всероссийском семинаре по волоконным лазерам, г. Ульяновск; а также на семинарах кафедр автоматизированных систем обработки информации и управления КГТУ им. А.Н. Туполева и телекоммуникационных систем УГАТУ.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, из них - три в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, монография и 8 работ в других изданиях, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы и приложения. Содержит 137 стр. машинописного текста, 45 рисунков, список использованной литературы из 83 наименований, приложения 10 стр.
