Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния телекоммуникационных систем с пакетной коммутацией 13
1.1. Современный подход к построению телекоммуникационных систем с пакетной коммутацией 14
1.2. Система качества QoS и GoS и работоспособность волоконно оптических систем передач 21
1.3. Стандартные средства диагностики систем с пакетной коммутацией 25
1.4. Постановка задачи исследований 31
1.5. Выводы к главе I 36
Глава 2. Математическая модель процесса распространения чирпиро ванного оптического импульса в оптоволоконном тракте 38
2.1. Способы экспериментального анализа параметров оптоволоконного тракта и задача малоискажающей передачи оптических импульсов 38
2.2. Модель эволюции огибающей импульса под действием искажающих факторов оптоволоконного тракта 46
2.3. Задача поиска параметров импульса, форма огибающей мощности которого в меньшей степени искажается в оптоволоконном тракте 51
2.4. Анализ устойчивости формы адресного импульса действием возмущающих факторов в оптоволоконном тракте 56
2.5. Допущения, принятые при математическом моделировании процесса распространения чирпированного оптического импульса в оптоволоконном тракте
2.5. Выводы к главе II 63
Глава 3. Математическая модель процесса статистического анализа формы адресного импульса 65
3.1. Анализ современных методов кодирования и математические модели приёма сигналов
3.2. Статистическое моделирование процесса приёма амплитудно импульсно-модулированного сигнала. Определение QoS-показателей 69
3.3. Методика подбора алфавита форм адресных импульсов 78
3.4. Выводы к главе III 81
Глава 4. Вычислительный эксперимент по определению пути повышения отказоустойчивости цифровой сети с пакетной коммутацией на базе разработанных математических моделей 82
4.1. Цель и методика проведения вычислительного эксперимента 82
4.2. Методика статистического моделирования цифровых сигналов 93
4.3. Методика статистического моделирования тока питания лазера передатчиков 101
4.4. Результаты вычислительного эксперимента по исследованию возможности повышения отказоустойчивости цифровой сети с применением введённой служебной подсистемы 106
4.5. Выводы к главе IV 113
Глава 5. Техническая реализация концепции управления аварийными состояниями в сети с пакетной коммутацией 116
5.1. Способ управления системой аварийных состояний, основанный на компенсации состояния «loop» 116
5.2. Методика экспериментального исследования предложенной системы управления схемой аварийных состояний 122
5.3. Результаты экспериментальных исследований 125
5.4. Реконструированная сеть ООО «Телекоммуникационные системы» и задача поиска пути оптимальной модернизации
5.4. Выводы к главе V 136
Заключение 138
Список использованной литературы
- Система качества QoS и GoS и работоспособность волоконно оптических систем передач
- Модель эволюции огибающей импульса под действием искажающих факторов оптоволоконного тракта
- Статистическое моделирование процесса приёма амплитудно импульсно-модулированного сигнала. Определение QoS-показателей
- Методика статистического моделирования тока питания лазера передатчиков
Введение к работе
Актуальность темы. Одной из основных задач телекоммуникационных систем является расширение сферы предоставляемых услуг и повышение их качества. Практика показала, что успешное решение такой задачи получается при внедрении систем передач с пакетной коммутацией, в частности - Ethernet. С переходом к волоконно-оптическим линиям передачи (ВОЛП) с одной стороны произошло расширение возможностей Ethernet (до 1 и 10 Гбит/с) и миграция их к интеллектуальным сетям (типа x-PON). С другой стороны возникли непредвиденные трудности, связанные с несоответствием задач и свойств компонентов ВОЛП. Например, попытка установить двустороннюю цифровую передачу параллельно с аналоговым TV-сигналом на имеющихся линиях связи в пределах действующих нормативных методик (в смысле используемого количества и видов оптоволоконного оборудования), привело к значительному повышению уровня отражённого сигнала. Причём последний не являлся детерминированной величиной и, следовательно, не мог быть использован для «калибровки» оборудования. В результате узловое оборудование останавливалось из-за ложных отказов и сбоев, т.к. не было рассчитано на работу в таких тяжёлых условиях. Следовательно, оператор остался перед выбором: либо отказаться от внедрения того или иного телекоммуникационного приложения, услуги, развития и модернизации сети ввиду их экономической неоправданности, либо применить нестандартный подход к настройке и доработке системы передачи, позволяющий в конечном итоге улучшить QoS и GoS-показатели. Существующие методики доводки, диагностики и мониторинга цифровой сети, базирующиеся на определении значений критериев качества и надёжности, не всегда позволяют произвести «тонкую настройку» на требуемом уровне - в первую очередь из-за недостаточного учёта взаимного влияния искажающих факторов и реальной работоспособности сетевых устройств. Следовательно, такие задачи, как:
о обеспечение адекватной диагностики текущего состояния сети, позволяющей отличить сбой от «тяжёлого» рабочего режима;
о разработка метода восприятия информации, передаваемой аналого-символьно-модулированным сигналом, и
о выбор формы импульса, наименее искажающегося действием многолучевой интерференции, являются актуальными при проектировании и вводе в эксплуатацию волоконно-оптических цифровых сетей.
Поставленная задача в определённой степени является задачей считывания сигнала на фоне шума. Здесь под сигналом понимается передающаяся к уз-
лу цифровая посылка; шум складывается из аддитивного гауссового шума, связанного со случайными факторами, и, главным образом, собственного отражённого сигнала, уровень которого может быть весьма значительным. Каких-либо известных методов, позволяющих различить собственную отражённую и направляемую к узлу посылку при статистическом методе передачи в сети в настоящее время не существует.
Диссертация посвящена разработке метода адаптации цифровой сети к эксплуатации в условиях повышенного уровня отражений на основе внедрения метода контроля параметров отражений линий пассивных оптических сетей и дополнительной подсистемы технического обслуживания.
Цель работы. Разработка метода контроля параметров отражений линий пассивных оптических сетей, основанного на модернизации встроенных средств тестирования и управления сетью, учитывающего интерференционные искажения, вносимые оптоволоконным трактом.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:
Разработать метод контроля параметров отражений пассивных оптических сетей на основе дополнительной адресации узлов и тестировании сегментов, позволяющий организовать подсистему технического обслуживания, корректирующую работоспособность основной сети.
Разработать методику определения уровня искажений формы адресного импульса действием многолучевой интерференции в волоконно-оптической линии, позволяющую согласовать его форму для заданного сегмента.
Предложить подход к созданию подсистемы технического обслуживания, основанный на подборе алфавита форм адресных импульсов в зависимости от условий поставленной задачи, обеспечивающий их различимость на фоне помех.
Разработать модель системы управления схемой аварийных состояний узлового оборудования, обеспечивающую высокую достоверность оценки состояния сети и адекватность принятия решения.
Методы исследований. В работе использованы положения теории линейной и волноводной оптики, 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: Предложен подход к дополнительной адресации узлов пассивных оптических сетей, обеспечивающий опознание информационных посылок, поступающих к рассматриваемому узлу на стадии, предшествующей цифровой регенерации
сигнала, позволяющий проводить тестирование линий с применением дополнительно введённых сигналов.
Разработана методика определения параметров искажений формы огибающей оптической мощности и формы чирпа адресного импульса, обусловленных действием многолучевых интерференционных эффектов в оптоволоконном тракте заданной конфигурации.
Разработан метод расчёта параметров импульсов подсистемы технического обслуживания, обеспечивающий оценку и повышение надёжности и помехоустойчивости пассивной оптической сети.
Предложен подход к управлению схемой аварийных состояний узлового оборудования в условиях неоднозначности реального состояния сети, связанной как со случайным моментом прихода информационных посылок, так и случайным характером отражений в линии.
Практическая ценность. Снижение количества отказов и сбоев телекоммуникационной системы в условиях эксплуатации, работающей в режиме дуплексного канала, при обеспечении достоверности и качества передачи информации установленным НТД значениям на базе разработанных подходов и методов, направленных на создание дополнительной подсистемы технического обслуживания с введением адресации узлового оборудования на стадии, предшествующей цифровой регенерации сигнала.
На защиту выносятся:
Метод контроля параметров отражений пассивных оптических сетей, основанный на дополнительно введенных импульсах, характеризующие адреса узлов, информационными параметрами которых являются форма огибающей оптической мощности и функция чирпа, определяющие форму адресного импульса, позволяющий различать с высокой степенью достоверности собственные отражённые и поступающие из дуплексного канала посылки.
Методика определения параметров искажений формы адресного импульса действием многолучевых интерференционных оптических эффектов в оптоволоконном тракте, разработанная на основе учёта многолучевой интерференции, позволяющая согласовывать форму адресного импульса под заданный сегмент.
Подход к созданию подсистемы технического обслуживания, предназначенной для коррекции работоспособности пассивной оптической сети, основанный на подборе алфавита форм адресных импульсов в зависимости от условий поставленной задачи на базе вычислительного эксперимента, обеспечивающий адаптацию созданной подсистемы адресации к конкретным условиям эксплуатации.
4. Модель подсистемы технического обслуживания, основанная на управлении схемой аварийных состояний узлового оборудования по результатам анализа рефлектограммы, связанной с заданным алфавитом форм адресных импульсов, обеспечивающая высокую достоверность оценки состояния сети и адекватность принятия решения.
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на восьмой международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций», г. Уфа, 2007; XIII Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь - RLNC2007» г.Воронеж, 2007; VI Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов», г. Казань, 2007; а также на семинарах кафедры «Телекоммуникационные системы» УГАТУ.
Публикации. По материалам диссертации опубликована монография, 3 печатные работы, 4 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.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы и приложения. Содержит 135 стр. машинописного текста, 45 рисунков, список использованной литературы из 61 наименования, приложения 12 стр.
Автор выражает благодарность научному консультанту к.т.н. Виноградовой И.Л. за оказанную помощь в написании второй и третьей глав.
Система качества QoS и GoS и работоспособность волоконно оптических систем передач
Согласно обобщению ряда литературных источников в области телекоммуникаций [1 - 4, 22, 24, 25 и др.], а также на основе опыта по эксплуатации и модернизации цифровых сетей, современная тенденция развития телекоммуникационных систем направлена не столько на физическое расширение сети с увеличением количества обслуживаемых номеров, сколько на расширение сферы предоставляемых услуг и увеличение их разнообразия. Это и приводит к существенному функциональному усложнению цифровых сетей, а следовательно, и к повышению требований по достоверности и надёжности передачи, т.е. к качеству построения ВОСП. В соответствии с уровнями эталонной модели взаимодействия открытых систем (ВОС) [14], для системы качества также установлена соответствующая градация. Так, согласно [14], для верхних уровней ВОС (прикладного, представлений, сеансового) используется понятие о качестве предоставления услуг (Quality of Service - QoS), для нижних уровней (физического, канального, сетевого и транспортного) это качество обслуживания (Grade of Service - GoS). Очевидно, что параметры QoS и GoS взаимосвязаны, и, согласно [14], имеет место их взаимодействие. Иными словами, ухудшение работоспособности системы передачи на нижних уровнях ВОС неизбежно приводит к ухудшению обслуживания абонентов.
В отличие от QoS, параметры GoS являются количественными характеристиками, определяющими техническую работоспособность ВОСП. Они регламентируют значения показателей помехоустойчивости и надёжности передачи, рассматриваемые интегрально, при которых выполняются (считаются удовлетворёнными) качественные пользовательские характеристики QoS. Понятие ин-тегральности здесь можно расшифровать следующим образом. Параметры GoS нормируются независимо для каналов (в т.ч. виртуальных, т.е. в общем случае многосегментных соединений между узлами сети и связаны с аппаратурой обработки данных) и трактов - односегментных соединений, связаны с аппаратурой линейного тракта, рис. 1.9. Нормы по системе стандартов GoS независимо определены как: долговременные и оперативные в зависимости от измерений характеристик ошибок за интервалы времени длительностью более или менее нескольких секунд (1...10 с). Так долговременные нормы зависят от длительности измерений и являются интегральными величинами. Оперативные нормы зависят от момента измерений в течение суток, месяца, года и являются дифференциальными величинами; связанные с регистрацией ошибок и связанные с готовностью / неготовностью канала. В первом случае это количественные величины, получаемые путём измерений или численных оценок, во втором случае - качественные показатели. Последнее обусловлено с одной стороны отсутствием к настоящему времени норм на каналы и тракты цифровых сетей (независимо от способа передачи) для показателей надежности [26], с другой стороны трудностью детализации влияния характеристик надёжности на параметры QoS2; связанные с нормами на показатели ошибок и на показатели дрожания и дрейфа фазы (независимо от способа передачи, т.к. даже в сетях, в которых не предусмотрена ориентация на SDH, существуют стандарты битовых скоростей, а следовательно, и нормы на отклонения от них).
Падение надёжности до определённого предела, вообще говоря, незаметно. Затем происходит резкое снижение параметров QoS; иными словами - в случае сбоя передача сигналов прекращается. В настоящее время определены следующие виды норм: сетевые предельные нормы на иерархических стыках; предельные нормы на фазовое дрожание цифрового оборудования; нормы для фазового дрожания цифровых участков.
В течение длительного времени единственным параметром ошибок являлся коэффициент ошибок по битам BER (или РЕ - вероятность ошибок), как отношение числа неправильно принятых битов к общему числу принятых битов в течение достаточно длительного интервала времени. Этот параметр вполне пригоден для оценки качества передачи, если в тракте преобладают случайные одиночные ошибки. В общем случае, когда ошибки могут образовывать пакеты той или иной величины (носят нестационарный характер во времени), более подходят параметры, определенные в рекомендации G.821 - как процент временных интервалов, в которых появление ошибок превышает некоторый заданный порог. Такими временными интервалами являются [26]
Для систем ATM, ориентированных на первичную передачу сигналов, сказан 24 ное распространяется на ячейки (также и блоки ячеек); система показателей приведена в Приложении 1. Дополнительно к приведённым показателям помехоустойчивости, могут быть определены [27 - 30] следующие показатели надёжности: вероятность безотказной работы (0, наработка на отказ (TQ) и коэффициент готовности присоединяемого /-го сегмента (кге(і,,).
Если величины BER, ESR и SESR могут быть определены как аналитически [12, 13], так и по результатам измерений (например, с применением BER-тестера, [22]), то параметры Q, TQ И Kred , невозможно получить непосредственно. Следовательно, адекватная оценка реальной работоспособности сети, что в конечном итоге определяет управление сетью и её стратегическое планирование, зависит от методик расчёта ряда показателей. Необходимо отметить, что принятые в НТД в настоящий момент методики определения показателей надёжности, во-первых, недостаточно проработаны в отношении нахождения Q, во-вторых, не учитывают принципиально присущий исследуемому объекту статистический характер изменения всех величин. Или то же самое - в основу подходов к определению TQ И Kred;,- заложены не статистические, а детерминированные зависимости, что не верно, и, соответственно, приводит к неадекватным результатам. Например, известная методика по определению надёжности [30] не предполагает какой-либо учёт фактической надёжности системы, полученной на основе опыта предшествующей эксплуатации. Поэтому использование такой методики позволяет получить лишь текущие результаты, не обеспечивающие возможность прогноза работоспособности сети и наиболее вероятного изменения параметров GoS, а с ними - и направления эффективной модернизации системы передачи.
Модель эволюции огибающей импульса под действием искажающих факторов оптоволоконного тракта
По смыслу решаемой задачи представляет интерес определение формы огибающей мощности и формы чирпа начального импульса таким образом, чтобы искажения со стороны оптоволоконного тракта в меньшей степени суммарно искажали форму огибающей мощности. Иными словами, решение будет считаться найденным, если форма переданного импульса будет в основном соответствовать форме входного импульса, что позволит использовать параметры рассматриваемой формы для передачи информации. Введём функциональную меру искажений следующим образом: где СКО - функция среднеквадратического отклонения. Исследуем динамику функции \1, а также найдём условия, в частности форму входного импульса л4Д0, t)} обеспечивающие минимум функции _i, устремив её полный дифференциал к нулю: А\х -» 0. Расчёты показывают, что минимальное значение функции i обеспечивается для единственного ИФП в случае:
Более правильным должен считаться подход фрактальных оценок рассматриваемых форм, что является предметом дальнейшего исследования. Af (О, t) = a+ tanh ответствует Ло, PQ,5 И Г0 - половинная мощность и длительность импульса, а ц/ можно выбрать в любой точке диапазона 0,..., я/2. Для того, чтобы получить графическое изображение формы (2.12), например, с целью проведения последующей аппроксимации для технических приложений, а также форму начального чирпа, который требуется задать на стадии модуляции лазера, представим соотношение (2.12) в виде: Af (О, i) = Re( / (0, f)) ехр(у lm(Af (О, ))).
Так как частотный начальный чирп импульса13 CJJ) можно получить в виде производной по времени от фазы:
Начальный чирп импульса — это смещение длины волны, генерируемой лазером, по мере на растания / спада оптической мощности импульса Р(/), который можно представить в виде X(t) либо со(/), соответственно: Сх(г) или CJt) в нашем случае. кривая на рис. 2.6) состоит из двух характерных частей - короткой и широкой. Определённой физической интерпретацией данного тезиса может служить следующее. С одной стороны, импульс должен быть достаточно узким для того, чтобы укладываться в единственный интерференционный порядок. Так интерференционные искажения первого порядка начальной (широкой) части импульса должны фактически складываться в данную кривую - верхнюю (узкую) часть импульса, тогда они окажутся вырожденными. В связи с этим рассматриваемый импульс имеет фронты, отличающиеся от известных [40], описываемых следующим соотношением: и{0, х) = N sech(x)- ехр(- j /(г)), где N определяет амплитуду, т - параметр времени, /(т) - непериодическая гладкая функция
С другой стороны, согласно [39, 40], чем более узким является распространяющийся по волоконно-оптической линии импульс, тем в большей степени он подвергается дисперсионным искажениям. Отсюда импульс должен быть достаточно широким для уменьшения дисперсионных искажений.
Формы огибающей мощности переданного (1) и входного (2) импульса, наименее поддающегося искажениям действием многолучевой интерференции в ИФП, образованного торцами световода типа SF с показателем преломления и2 = 1,485. Показатель преломления внешней по отношению к ИФП оптоволоконной системы равен щ - 1,47. Параметр vj/ выбран равным 7i/2; ИФП = 100 м. Полученные аналитическим методом входной и переданный импульсы (рис. 2.6, 2.7) представляют достаточно ограниченный технический интерес из-за частных требований к параметрам оптоволоконного сегмента. В общем случае уравнения (2.6) содержат переменные по длине линии коэффициенты (3, не один, а несколько элементов ИФП, а также слагаемые, характеризующие нелинейные эффекты и затухание. В такой задаче уравнения (2.5) могут быть решены численно. Решение такой системы уравнений с применением конечно-разностного метода, заложенного в библиотеку подпрограмм пакета Synplify, для сегмента сети (прим. сеть ООО «Телекоммуникационные системы»), содержащей 15 эффективных элементов ИФП, образованных световодными соединениями, для начального импульса вида рис. 2.6, кривая 2, показало следующее. Учёт линейного затухания в оптоволоконной системе приводит к незначительному уменьшению мощности, и им в последствие можно пренебречь. Учёт нелинейного изменения показателя преломления приводит к заметному изменению формы импульса (рис. 2.8, кривая 1), вследствие чего параметром Ар не следует пренебрегать при разработке алфавита форм, использующихся в рассматриваемой задаче. Форма чирпа импульса, наименее поддающегося искажениям действием многолучевой интерференции в ИФП, образованного торцами световода типа SF с показателем преломления п2 1,485. Показатель преломления внешней по отношению к ИФП оптоволоконной системы равен щ = 1,47.
Формы огибающей мощности переданного (1) и входного (2) импульса, наименее поддающегося искажениям действием затухания и многолучевой интерференции в многих ИФП, образованных местами стыковки световодов строительных длин и ответвительными элементами сегмента сети ООО «Телекоммуникационные системы». Всего эффективных 15 элементов ИФП. Линейный показатель преломления колеблется в пределах 1,4684 ... 1,4871 вдоль линии.
Физическая интерпретация видимых изменений формы может быть представлена следующим образом. С точки зрения преобразования спектра сигнала, исследуемые эффекты приводят к потере основной частоты несущей и появлению вместо неё двух близких боковых составляющих, так называемый сигнал с потерянной несущей [7]. Это, в свою очередь, приводит к значительному влиянию интерференции, продолжающей «раздвигать» узкую верхнюю часть импульса. По отношению к предыдущему случаю наблюдается также задержка распространения фронта импульса. Последнее является результатом многолучевой интерференции. Известно [40], что брэгговская решётка, являющаяся интерференционным волоконно-оптическим элементом, приводит к существенной задержке распространяющегося через неё сигнала и к значительной дисперсии. Колебательные искажения фронтов широкой части импульса типа джиттера (также как и в отсутствие влияния нелинейных эффектов) связаны с действием многолучевой интерференции первого и высших порядков. В данном случае порядок интерференционной картины не ограничен, т.к. не принималась в рассмотрение абсолютная когерентность излучения. Для конечнокоге-рентного излучения и с учётом того, что многолучевые интерферометры образованы световодными сегментами значительной длины (десятки и сотни метров), в искажениях будет принимать участие первый (максимум - второй) порядок интерференции, что приведёт к синусоидальному изменению рассматриваемых фронтов, но исчезнет эффект смешивания (джиттер).
С точки зрения передачи информации, связанной с формой огибающей мощности импульса видно, что положение узкой части импульса остаётся неизменным по отношению к начальному/конечному моменту следования импульса. В небольшой степени меняется крутизна фронтов широкой части импульса. Определение искажений импульса с несимметрично расположенной вершиной на основе использования аналогичной вычислительной методики показал следующее. Дополнительно к представленным искажениям происходит перекос фронтов, который особенно заметно для узкой части. Передний фронт становится более крутым, задний — более пологим, импульс начинает напоминать ударную волну. Представленный результат согласуется с известным [41], полученным для известных импульсов, распространяющихся с учётом аналогичных искажающих факторов.
Статистическое моделирование процесса приёма амплитудно импульсно-модулированного сигнала. Определение QoS-показателей
Очевидно, что значения РЕ ,- существенно (в пределах до 20...30%) зависят от изначальной формы импульса, характеризующейся в данном случае соотношением u0,i / 0,1 , именуемым «крутизной импульса».
Из рис. 3.3 видно, что с увеличением крутизны импульса вероятность ошибочного решения меньше, что связано с уменьшением искажений импульса. С этой точки зрения целесообразно использовать импульсы вида «гиперболический секанс» или «супергауссову форму» [40], или формы, полученные по результатам исследований в разделах 2.2 и 2.3. С другой стороны исследования показали, что чрезмерное укорочение импульса приводит к возникновению дисперсии даже на коротких сегментах сети абонентского доступа и к существенному размытию импульса. Кроме того, короткие импульсы труднее воспроизводить, следовательно, подсистема технического обслуживания будет более дорогостоящей.
Данная математическая модель справедлива при следующих допущениях. В результате отражений импульс может получать только линейные искажения. В результате действия предположения методика вывода соотношений (3.6) ... (3.11) остаётся справедливой для любой рассматриваемой формы в смысле суммирования, возведения в степень и интегрирования. Действительно, с физической точки зрения процесс отражения является линейным до значительного уровня оптической интенсивности. Последний определяется возникновением следующих эффектов: разогрева области отражения с появлением нелинейных видов потерь и с изменением свойств вещества области отражения. Очевидно, что по смыслу решаемой задачи, указанные эффекты не наступают.
Аддитивный шум в канале не зависит от вида и уровня искажений сигнала, а дробовой шум является малым. Действительно, как указывалось выше, для традиционных оптоволоконных систем абонентского доступа уровень сигнала является достаточно высоким (порядка 1 мВт) и не успевает значительно деградировать на протяжении распространения сигнала - из-за коротких сегментов. Вследствие этого дробовой шум будет много меньше гауссовского
Сказанное выше обосновывает необходимость в использовании импульса сложной формы для представления сетевых узлов соответствующими «адресами», характеризующимися определённым видом огибающей. Очевидно, что возникает вопрос об алфавите форм огибающих. В известной задаче, касающейся традиционных систем связи (например, [8]), выбор алфавита источника, с одной стороны, определяется количеством уровней квантования системы аналого-цифрового преобразования (АЦП), с другой стороны - алфавитом канала. Детализировать данный тезис может следующий пример: алфавит оптоволоконного канала (независимо от сетевого стандарта) состоит из двух символов — логический ноль с мощностью оптического сигнала порядка 10 мкВт, и логическая единица с мощностью оптического сигнала по G.703, равной 0 дБм (1 мВт). Следовательно, алфавит источника должен быть вполне достаточным для того, чтобы передавать с минимальной задержкой декодирования [8] всю требуемую информацию, что обеспечивается структурой (в том числе и длиной) ячеек в системах ATM или структурой циклов в системах синхронной цифровой иерархии. В случае значительного влияния помех, либо с целью сокращения кодового слова источника, может применяться метод дельта-модуляции [8], состоящий в увеличении частоты выборок АЦП до такой величины, когда становится возможным представить каждую выборку единственным г-ичным символом (г — количество возможных сигналов на выходе модулятора). В решаемой задаче имеется возможность апеллировать только с единственным импульсом, следовательно необходимо, чтобы количество кодовых символов было бы равно или более4 количеству сетевых узлов, что, кстати, обеспечит однозначное согласование алфавита источника и алфавита канала. Требуется также, чтобы задержка декодирования была бы минимальной. Кроме того, нет возможности воспользоваться требованием об ортогональности символов. Наложение условия вида — IР\(О P2(t)- dt = 0 на огибающие мощно о сти P\(f) и Рг{і) двух импульсов приведут либо к потере устойчивости формы
Необходимо предусмотреть возможность масштабирования сети. при распространении импульса по оптоволокну, либо к существенному усложнению математической модели, описывающих динамику данных сигналов5.
Для решения поставленной задачи можно воспользоваться методом Хаффмана [8], применив его не к организации числовой последовательности, ответственной за алфавит источника, а к выбору функциональных кривых P(t) и X(t), определяющих форму адресного импульса. Алгоритм кодирования построим с использованием r-ичного дерева, в котором каждый узел является началом для г рёбер, и каждое ребро в свою очередь заканчивается узлом. Словарь следует определять посредством отождествления некоторых (можно всех) узлов с кодовыми словами. Тогда, в соответствии с теоремой Хаффмана, словарь, построенный на основе кодового дерева, будет мгновенно декодируемым, что представляет значительную актуальность в решаемой задаче. Так как независимыми6 параметрами являются физические величины Р и X, то г =2, и кодовое дерево представлено на рис. 3.4. Так как кроме фактического создания кодового словаря требуется, чтобы он был оптимальным, то существует ещё методика осуществления соответствия между кодом дерева и кодовым словом источника. В данной задаче такая методика состоит в следующем: кодовому слову, появляющемуся с меньшей вероятностью, присваивается наиболее сложная форма импульса, а наиболее вероятному кодовому слову - наиболее простая форма — с целью упрощения реализуемости словаря (табл. 3.1 для сети на примере ООО «Телекоммуникационные системы»). Согласно [8], данный алгоритм реализуется следующим образом. Пусть So обозначает множество N символов источника, каждому из которых необходимо поставить в соответствие некоторый узел кодового дерева. Возьмём п узлов, соответствующих п символам источника, имеющим наименьшую вероятность появления, и соединим их с помощью п рёбер с одним и тем же составным узлом.
Методика статистического моделирования тока питания лазера передатчиков
Проведена оценка вероятности безотказной работы сети (типа Ethernet, PON), использующей подсистему мониторинга на основе АСМ-сигналов, по срабатыванию сигнализации «loop». Предложено отказовой ситуацией считать два случая: 1) срабатывание сигнализации «loop» в случае отсутствия петлевого соединения линии; 2) отсутствие сигнала «loop» при наличии петлевого соединения линии. Соответственно, вероятность отказа q будет складываться из двух частей: q = q\ + qi, соответствующих вероятностям появления перечисленных ситуаций. Появление сигнала «loop», как упоминалось в разд. 1.4 и 2.1, связано с единственным пиком на рефлектограмме, который при наличии различных мест отражения в линии практически не может возникнуть. Даже если адресные импульсы окажутся заметно искажены (с появлением многих пиков), но петлевого соединения в линии нет, рефлектограмма окажется достаточно размытой, но тем не менее, не будет содержать единственного всплеска. Надо также отметить, что состояние «loop» возникает не где-то в линии (точнее, это может быть, но является редчайшим случаем), а достаточно близко от передатчика (на первом же ответвителе, месте стыковки и т.д.).
Отсутствие сигнала «loop» всегда будет иметь место, если рефлектограмма содержит более одного характерного пика (даже если два пика расположены близко). Такая ситуация может возникнуть (независимо от наличия/отсутствия действительного состояния «loop»), если форма адресного импульса будет нарушена (например, действием затухания или шумов), и в последствии существенно искажена действием интерференции и дисперсии - с появлением характерно выраженного интерференционного максимума второго и более порядков. Следовательно, q% зависит от коэффициента отражения элементов ИФП и в меньшей степени - от отношения «сигнал/шум»5. На основе численных оценок, выполненных в соответствии с представленным выше, построены графики для вероятности безотказной работы О — 1 - q для всех рассматриваемых сетевых сегментов (по критерию появления второго интерференционного порядка), см. рис. 4.21.
Расчёт также показал, что форма импульса6 изменяется по мере распространения по оптоволоконной линии не только в результате действия помех и искажений, но также из-за периодического характера функций, входящих в со 5 В связи с тем, что аддитивный шум до значений порядка 15...20 дБ не вносит диспропорциональных измене
Здесь речь идёт о форме, полученной аналитически. став его аналитической зависимости (см. выражение (2.12)). Причём эти изменения оказываются весьма существенными (СКО меняется свыше, чем не 80%), тем не менее в данной задаче указанный характер изменений не приведёт к увеличению вероятности ошибочного считывания символа. Последнее связано с малыми длинами используемых сегментов, в то время, как указанные изменения происходят на длине 500 км и выше.
Таким образом, вычислительный эксперимент показал наличие принципиальной возможности формирования амплитудно-символьно-модулированных импульсов, предназначенных для адресации сетевых узлов, и передаваемых по сегментам таким образом, что их форма может быть различена приёмником.
Для решения задачи о повышении отказоустойчивости системы передачи со статистическим мультиплексированием без внедрения специализированного дорогостоящего оборудования решено было использовать имитационное моделирование участвующих величин (в том числе с применением натурных измерений и данных из эксплуатации) и вычислительный эксперимент. Основой для проведения последнего явились представленные в предыдущих разделах математические модели: динамики изменения формы чирпированного импульса и статистического процесса приёма амплитудно-символьно-модулированных импульсов. Схема эксперимента предполагала одновременный учёт искажающих факторов и рекуррентную подстройку параметров адресных сигналов (огибающей мощности и функцию чирпа) по критерию минимизации отличия переданной и принятой форм.
Вычисления проведены при статистическом моделировании цифровых сигналов с использованием четырех псевдослучайных последовательностей. Проведена имитация случайного потока единиц, девиации временного интервала, джиттера и аддитивного шума в канале. Искажения аналого-символьно-модулированных импульсов, связанные с девиацией тока питания лазеров, моделировались на основе нестационарного гауссовского процесса. Адекватность эксперимента обеспечивалась корректным проведением имитационного моделирования, корректным применением аналитических моделей и подходов.
Вычислительный эксперимент показал, что формы АСМ-импульсов могут быть найдены для сегментов с реальными параметрами, которые могут использоваться при построении рефлектограмм, т.к. представляются в виде единственного выраженного пика. Согласно исследованиям, указанные формы существенно зависят от пройденного расстояния, тем не менее, на коротких сегментах (до 10 км) изменения незначительны (с учётом существенной длительности таких импульсов). Искажение форм происходит также под действием таких влияющих факторов (переменных на протяжении времени), как уровень аддитивного шума и девиация тока питания лазеров. Последний фактор оказывается более существенным, т.к. вносит диспропорциональные изменения, а следовательно, усиливает влияние интерференции и дисперсии.
Проведён расчёт GoS-параметров сети, построенной с применением предлагаемой дополнительной подсистемы мониторинга: вероятности ошибочного считывания символа, уровня требуемой помехозащищённости регенератора и вероятности безотказной работы. Согласно исследованиям, аддитивный шум в незначительной степени снижает отказоустойчивость сети, оставаясь долгое время «незаметным» - практически до уровня 0,6...0,8 дБ (по отношению к сигналу). Коэффициенты отражения элементов ИФП оказываются более существенным искажающим фактором, вследствие чего повышение уровня отра 115 жений в линии (в течение срока службы линии) значительно искажает сигнал, приводя к появлению высших порядков интерференции, а следовательно, к отказам в системе мониторинга. Таким образом, если количество мест отражений уменьшить не удаётся, тогда следует «чаще» менять компоненты линии (коннекторы, разветвители) по мере их старения.
Случайная девиация тока накачки лазеров даже в небольших пределах значительно искажает АСМ-сигналы и снижает отказоустойчивость системы мониторинга. Исследования показали, что при наличии нестационарной гауссовой помехи устойчивые формы7 могут быть найдены только для сегментов 2-3 и 4-5, содержащих единственный элемент ИФП. Для других сегментов такие формы АСМ-импульсов вообще не были определены (расчёты проводились без учёта нестационарной гауссовой помехи), в результате чего был сделан вывод о требовании к высокой стабилизации источников питания лазеров (с точностью свыше 10" %). Кроме того, в результате расчётов выяснилось, что функции огибающей мощности и чирпа не взаимосвязаны по линейному, либо квадратичному законам, следовательно, для реализации предложенного подхода требуется дополнительное устройство - «вычитатель мощности».
Всё это привело к необходимости проведения аппаратной доработки используемого сетевого оборудования - по стабилизации тока питания лазера и обеспечению заданных функций P{(t) и А,,(ґ), а также введению в систему рефлектометра и дополнительного решающего устройства.
Похожие диссертации на Разработка метода контроля параметров отражений линий передачи пассивных оптических сетей и подсистемы технического обслуживания
