Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы и задачи диссертационной работы 26
1.1. Принципы построения и структуры телекоммуникационных систем и сетей связи 26
1.2 Классификация телекоммуникационных систем и сетей связи 32
1.3 Принципы построения и функциональные возможности сетей радиосвязи 35
1.4 Основные технологии передачи информации в цифровых телекоммуникационных системах и сетях связи 49
1.5 Обзор состояния производства оборудования телекоммуникационных систем 58
1.6 Разработка требований к многофункциональным телекоммуникационным устройствам канал ообразования оконечного оборудования РРС. Постановка задачи диссертационных исследований 68
Выводы по главе 1 75
Глава 2. Исследование и разработка многофункциональных телекоммуникационных устройств каналообразования для оконечного оборудования радиорелейных станций 76
2.1 Разработка мультисервисной технологии IPFone-Net на основе высокоскоростной системной шины 76
2.2 Обобщенная схема многофункциональных телекоммуникационных устройств каналообразования 81
2.3 Организация сети при использовании многофункционального устройства 86
2.3.1 Особенности работы устройства при организации сети с плезио-хронной цифровой иерархией (PDH) 86
2.3.2 Разработка процедур инкапсуляции и мультиплексирования для сетей с синхронной цифровой иерархией (SDH) с использованием моду-пей высокоскоростных потоков в разработанных устройствах 88
2.4 Синхронизация работы многофункционального устройства в системах и сетях связи с технологиями PDH/SDH 96
2.5 Особенности и основные параметры кроссовой коммутации многофункционального устройства 104
2.6 Управление и контроль мультисервисными сетями, сформированными многофункциональными телекоммуникационными устройствами 107
2.7 Резервирование и защита компонентных потоков систем связи, построенных на основе многофункциональных телекоммуникационных устройств 114
Выводы по главе 2 122
Глава 3. Методы повышения достоверности и эффективности информационных обменов каналов магистральной телесигнализации и телеуправления радиорелейных станций 124
3.1. Математическая модель каналов магистрального телеуправления и телесигнализации радиорелейных станций 124
3.2. Вероятностный анализ и разработка способов снижения интенсивности информационных потоков магистральной телесигнализации и телеуправления 131
3.3 Исследование и разработка методики расчета и способов повышения достоверности магистральной телесигнализации 139
3.4 Разработка методики и анализ возможности повышения достоверности ма-
гистрил ьного телеуправления 148
Выводы по главе 3 154
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований и испытаний многофункциональных телекоммуникационных устройств каналообразовання оконечного оборудования РРС 155
4.1. Структура, функциональные возможности и основные технические пара метры разработанной многофункциональной телекоммуникационной аппара туры каналообразования и коммутации 155
4.2 Методики проверки и результаты испытаний на соответствие функциональным требованиям многофункциональной телекоммуникационной аппаратуры каналообразования 172
4.3 Разработка методики и экспериментальной аппаратуры проверки достоверности магистральных телесигнализации и телеуправления 185
4.4 Результаты экспериментальной проверки достоверности магистрального телеуправления 194
4.5 Результаты экспериментальной проверки достоверности магистральной телесигнализации 198
Выводы по главе 4 202
Заключение 204
Список литературы
- Принципы построения и структуры телекоммуникационных систем и сетей связи
- Разработка мультисервисной технологии IPFone-Net на основе высокоскоростной системной шины
- Математическая модель каналов магистрального телеуправления и телесигнализации радиорелейных станций
- Структура, функциональные возможности и основные технические пара метры разработанной многофункциональной телекоммуникационной аппара туры каналообразования и коммутации
Введение к работе
Развитие систем, сетей и устройств телекоммуникаций является одной из важнейших задач мирового сообщества на данном этапе, что обусловлено огромным значением, которые они имеют сегодня во всех сферах человеческой деятельности. Современные телекоммуникационные технологии базируются на совокупности научных, технических и технологических достижений во многих областях, от микроэлектроники и схемотехники до теории связи, вычислительной техники и современных методов организации производства .
Выдающийся вклад в развитие теории построения систем передачи информации, способов адаптивного управления в системах и сетях связи, методов повышения достоверности и скорости передачи данных внесли К. Шеннон [1,2], Г. Найквист [3], В.А. Котельников [4], Я. 3. Цыпкин [5], А.А. Харкевич [6,7], В. И. Сифоров [8], Э. Л. Блох [9], Ю.Б. Зубарев [10], Ю.В. Гуляев [II], Н.А. Кузнецов [12-14] и многие другие ученые. Основы теории преобразования сигналов из аналоговой в цифровую форму для коммутации и передачи информации, газванной импульс но-кодо вой модуляцией (ИКМ), разработаны видными зарубежными учеными А.Х. Риверсом, Д.Р. Пирсом, Б.М. Оливером. Известно большое число исследований, посвященных вопросам кодирования и помехозащищенности информации, например, работы Д.Т. Брауна [15], Р.В. Хэмминга, Г.А. Шастовой [16], Э.Н. Гильберта [17], Л.Д. Грэя [18]. Значительный вклад в развитие теории массового обслуживания и теории вероятности, широко использующиеся в настоящее Бремя при проектировании сетей передачи информации, внесли А.К. Эрланг и А.Я. Хинчин [19].
В настоящее время вопросами разработки перспективных телекоммуникационных сметем и устройств для многих отраслей занимаются известные в стране предприятия, ФГУП МНИРТИ, ЦНИИС, ЛОНИИР, НИИСУ, НИИ "Рубин", ФГУП ГСПИ РТВ, ЗАО НПО "ЭЛАК", НПО "Каскад", МНИИРС, ОАО "ОТИК", МНИТИ , ФГУП "ВННИС ", которые специализируется на разработке и создании систем и оборудования радиорелейной, тропосферной, спугни-
ковой связи и специальных систем передачи. Проводят теоретические и эксперимента; ьные исследования в области техники обмена информацией по радиоканалам, разработки, изготовление и испытание систем, комплексов, аппаратуры радиосвязи гражданского назначения, а так же средства связи, управления и радиоэлектронной борьбы для Вооруженных Сил РФ.
Широко известны в России и за рубежом радиорелейное оборудование серии "Поток", семейство радиорелейных станций PDH-SDH серии "Лавина". Разработка и создание телекоммуникационных сетей, средств связи и автоматизированных систем управления связью (АСУС) проводятся Государственным унитарным предприятием научно-исследовательским институтом "Рубин" (ГУП ЛИИ "Рубин").
Проблемами спутниковой связи с применением современных технологий: передачи больших потоков информации, телевидения, видеоконференц-связи занимаются ведущие ученые НИИ Радио.
Универсальная модульно-наращиваемая высокопроизводительная платформа для построения телекоммуникационного оборудования DigiCore разработана в Санкт- Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича.
Вопросами построения сложных агрегатированных каналов связи и цифровых телекоммуникационных сетей, специализированных распределенных микропроцессорных вычислительных систем управления, проблемами развития теории сложных информационных телекоммуникационных систем, созданием цифровых сетей с интеграцией служб (ЦСИС) долгое время успешно занимаются ведущие ученые Института проблем передачи информации (ИППИ) РАК [21,22], Московского технического университета связи и информатики (МТУСИ) [23-25], Московского государственного технического университета (МГТУ) им. Н.Э. Баумана [26-27], Рязанского государственного радиотехнического ун іверситета [20], Московского государственного института электронной техники (МИЭТ) [28-31,88,97], Тульского государственного универ-
ситета, 16 ЦНИИ Министерства обороны Российской Федерации, московского авиационного лнститута и многих других.
Бурное развитие цифровых технологий за последние несколько лет привело к созданию большого количества оборудования, позволяющего работать по всем протоколам и на различных скоростях, выполнять практически любые запросы пользователей. В настоящее время на отечественном телекоммуникационном рынке представлена целая гамма телекоммуникационных устройств, позволяющая решать задачи передачи информации по различного рода каналам связи и ориентированная на различные технологии передачи информации- PDH, SDH, ATM, SONET, CWDM, DWDM и др. Наиболее известными производителями телекоммуникационного оборудования в настоящее время являются следующие отечественные предприятия: "Борисоглебские системы связи', "Центрсвязьинформ", "Итэкс-Связь", "Технодалс", НТЦ "Натеке", КБ "Кроникс", "Зелакс", "Кедах. Электронике. Инжиниринг" [90, 136], НПО "Радиан", НТЦ "СИМОС","СУПЕРТЕЛ", НПФ "Микран". Широко на российском рынке представлены и ведущие мировые производители: RAD Data Communications, Zixel, Cisco Systems, Lucent Technologies и многие другие.
Среди технических средств, применяемых при построении телекоммуникационных сетей, радиорелейные станции (РРС) занимают особое место. Довольно час^о их применение остается единственной возможностью, обеспечивающей передачу трафика там, где прокладка кабеля невозможна или нецелесообразна по экономическим соображениям. В зависимости от конкретной ситуации, РРС могут применяться для решения задач «последней мили»; как отдельное самодостаточное звено при наличии в составе оборудования РРС функционально законченных абонентских окончаний; в сочетании с оконечным мультиплексорным оборудованием или оборудованием АТС; в сочетании с другими средствами абонентского радиодоступа.
На сегодняшний день рынок радиорелейного оборудования динамично развивается, о чем свидетельствует увеличивающийся спрос на РРС. Этому спо-
собствуют такие факторы, как необходимость обеспечения связью месторождений находящейся на подъеме нефтегазовой отрасли, возросшая потребность населения к получению интегрированного доступа к голосовой связи и Интернет, предоставление универсальной услуги связи в новых жилых массивах.
Однако до сих пор, производителями телекоммуникационной аппаратуры для оконеч' ого оборудования РРС мультисервисных сетей не было предложено единой по идеологии и удобной в эксплуатации платформы, на базе которой возможна реализация разнородных многофункциональных задач в одной сети. Основными направлениями в этой сфере были разработки конечных блоков оборудования, выполняющих определенный набор функций и нацеленных на решение каких-то определенных задач.
Современные тенденции развития связи, интеграция задач, услуг операторов связи и тенденция снижения стоимости их услуг требует все больших усилий. В настоящее время телекоммуникационная сеть связи строится из сле-Еующих основных функциональных модулей: мультиплексоров, коммутаторов, концентраторов, регенераторов и т.д., причем зачастую от разных производителей. Такого рода ситуация приводит к целому ряду проблем, главными из которых являются: увеличение совокупной сложности и стоимости разработки и эксплуатации телекоммуникационной сети, производства и обслуживания систем; различные протоколы передачи информации и возникающие при этом коллизии в передаче трафика , аппаратная и программная избыточность, повышение собственного энергопотребления и ряд других.
Решением этой серьезной проблемы является создание многофункционального телекоммуникационного устройства каналообразования для оконечного оборудования РРС, соединившего в рамках единой унифицированной платформы средства сопряжения, мультиплексирования и каналообразования, объединяющей все существующие типы интерфейсов, задач кроссовой коммутации, управления и обработки сигнализации. При попытке создать такого рода многофункциональное устройство, применяя классические решения, воз-
никает ряд трудноразрешимых проблем, таких как: вопрос синхронизации различных интерфейсов с различными скоростями передачи данных; проблема синхронизации на системной шине ввиду того, что при установке в одном крейте как высокоскоростных, так и низкоскоростных плат время распространения сигналов вдоль системной шины может вносить искажения в сигнал синхронизации; проблема кроссовой коммутации не только на уровне трибу-тарных потоков и потоков Е1, но и на уровне канальных интервалов и даже битов канальных интервалов; проблема интеграции как синхронного, так и асинхронного трафика в рамках единого устройства.
Кроме того, в научно-технической литературе практически не освещается проблема измерения и повышения достоверности магистральной телесигнализации (ТС) и телеуправления (ТУ), которая во многом определяет качество передачи информации по радиорелейным линиям связи (РРЛ). При этом уровень достоверности, определяемый по вероятности передачи ложного сигнала ТУ, согласно ГОСТ составляет 10у- 10"12. Однако при резко возросших в последнее время объемах информации, пропорционально возрастает и число отказов, увеличивается вероятность появления ложных сигналов и команд управления, что негативно отражается на эффективности функционирования сетей передачи информации. Все это требует разработки новых способов повышения достоверности магистральных ТС и ТУ, а также интеграции этих функций в состав разрабатываемого многофункционального устройства.
В настоящее время ведущими зарубежными и российскими производителями ьедутся интенсивные работы по созданию такого рода многофункциональных телекоммуникационных устройств. Однако, несмотря на достигнутые положительные результаты, в полной мере реализовать такие устройства пока не удалось. В' е это требует разработки новых структур многофункциональных устройств, способов каналообразования, цифровой синхронизации, кроссовой коммутации, защиты компонентных потоков в телекоммуникационных системах и сетях связи, методов кодирования сигналов в магистральных каналах
РРЛ, способов повышения достоверности магистральных ТС и ТУ. Решение указанных задач позволит обеспечить гибкий режим передачи информации, обеспечить работу коммутационного оборудования различного типа в рамках мультисервисной сети, интегрировать как синхронный, так и асинхронный трафик в рамках единого многофункционального устройства, обеспечив при этом высокие динамические характеристики - достоверность и быстродействие, тем самым значительно повысив эффективность функционирования ТКС.
Поэтому представляются актуальными исследования, направленные на разработку многофункциональных телекоммуникационных устройств каналообразования для оконечного оборудования РРС и способов повышения достоверности магистральных телесигнализации и телеуправления, определяющиеся необходимостью создания гибкой многофункциональной аппаратуры, обеспечивающей повышенное качество, быстродействие и достоверность передачи телекоммуникационного трафика, сочетающей средства сопряжения, мультиплексирования и каналообразования, объединяющей все существующие типы интерфейсов, задач кроссовой коммутации, управления и обработки сигнализации.
Цель работы - создание многофункциональных телекоммуникационных устройств каналообразования для оконечного оборудования РРС с функциями сопряжени , мультиплексирования, кроссовой коммутации, управления и обработки сигнализации. Указанная цель достигается путем разработки новых структур многофункциональных устройств, способов каналообразования, цифровой синхронизации, кроссовой коммутации, защиты компонентных потоков в телекоммуникационных системах и сетях связи, методов кодирования сигналов и способов повышения достоверности магистральных ТС и ТУ.
Задачи исследований. Для достижения целей диссертационной работы необходимо решение следующих научных задач:
-разработка концепции новой мультисервисной телекоммуникационной платформы IPFone-Net, обеспечивающей интеграцию высоко- и низкоскорост-
ных шин в рамках одного многофункционального устройства;
-разработка методики проектирования многофункционального устройства с функциями мультиплексирования, коммутации и каналообразования на базе платформы IPFone-Net;
-создание процедур мультиплексирования и инкапсуляции виртуальных контейнеров при обработке информационных потоков многофункционального устройства;
-создание новых подходов к кодированию информационных сигналов и команд управления с целью повышения достоверности передачи информации по магистральным каналам;
- создание способов снижения интенсивности информационных потоков
магистральных каналов на основе вероятностного подхода;
-разработка методики и математического аппарата для расчета интенсивности инфорл ационных потоков и вычислительной загрузки центров обработки информации;
- разработка алгоритма управления переключением стволов РРС;
-экспериментальная проверка разработанных научных положений, техниче
ских разработок и методов.
Методы исследования. Основные задачи решены на основе: теории интегральных и дифференциальных уравнений, теории вероятности, теории массового обслуживания, теории очередей, теории передачи информации, теории связи.
Научная новизна. В диссертации содержится совокупность технических решений, обеспечивших разработку многофункциональных телекоммуникационных устройств каналообразования (МТУК) для оконечного оборудования РРС, имеющей существенное значение для повышения быстродействия и качества передачи телекоммуникационного трафика, надежности функционирования РРС и РРЛ, повышения достоверности магистральной телесигнализации и телеуправления. При проведении исследований в рамках данной диссерта-
ционной работы получены новые научные результаты:
-предложена концепция новой мультисервисной телекоммуникационной платформы IPFone-Net, обеспечивающая интеграцию высоко- и низкоскоростных шин в рамках одного устройства, возможность быстрой коммутации каналов с различной пропускной способностью,
- на базе платформы IPFone-Net предложена методика проектирования и схемы
многофункциональных телекоммуникационных устройств с функциями мульти-
плексирова шя, коммутации, каналообразования и цифровой синхронизации;
-разработаны байт-ориентированные процедуры мультиплексирования и ин
капсуляции виртуальных контейнеров при обработке высокоскоростных и
низкоскоростных потоков многофункционального устройства;
-разработана математическая модель, позволяющая оценить вероятности воз
никновения очереди при обработке информационных потоков каналов маги
стральных телесигнализации и телеуправления;
-предложены методики вычисления загрузки центра обработки информации системы управления РРС и способы снижения интенсивности информационных потокоз магистральных ТС и ТУ на основе вероятностного подхода;
предложен и реализован подход к кодированию магистральной телесигнализации, сочетающий биимпульсный корреляционный и циклический коды, позволяющий без заметного увеличения сложности эффективно контролировать исправность датчиков ТС и снизить вероятность приема ложной ТС на 2 порядка ;
предложены и реализованы подход к кодированию магистрального телеуправления, сочетающий позиционный и циклический коды, а также алгоритм управления переключением стволов РРС, обеспечивающие снижение вероятности формирования ложного ТУ на 2 порядка
-разработаны экспериментальные методики испытаний, алгоритмы проверки функциональных характеристик многофункциональных телекоммуникационных устройств и оценки достоверности магистральных ТС и ТУ.
Практическаг значимость работы. На основе полученных результатов создана линейка выпускаемых серийно и поставляемых во многие регионы РФ и страны СНГ гибких программно-реконфигурируемых многофункциональных телекоммуникационных устройств каналообразования (серии IPFone-MUX, IPFone-MCL, lPFone-xDSL, IPFone-A34, IPFone-A155, IPFone-A622) для оконечного оборудования PPC (Карта внедрения результатов диссертационной работы в регионах Российской Федерации и фрагмент программного обеспечения многофункционального устройства представлены в приложениях ПІЛ и П2). Наибольшее применение они нашли в цифровой первичной сети связи объединенной автоматизированной цифровой системы связи Вооруженных сил РФ, включая цифровые каналы и тракты Единой сети электросвязи Российской Федерации. Разработанные технические решения делают возможным их применение для организации ведомственных, сельских, городских, внутризоновых и магистральных цифровых сетей связи; для модернизация аналоговых линий связи (замена К-12/24, П-304, СИГ-І(КРР), КАМА и т.п., в том числе полнофункциональная замена оборудования К-60); в качестве мобильной комплексной аппаратной радиосвязи в интересах МЧС РФ; для организации цифровых магистральных и зоновых линий связи; для работы по цифровым каналі м радиорелейных, тропосферных и спутниковых станций (совместная эксплуатация); для работы с АТСК(Э), АТСДШ и квазиэлектронными АТС; для организации 4-х проводных транзитов; для модернизации аналоговых линий связи (замена К-60), используя существующие линейно-кабельные сооружения [32-35].
Экспериментальными исследованиями автора установлено, что в условиях сильного воздействия помех (при соотношении сигнал/шум 3/1-8/1) вероятность вывода ложной команды телеуправления составляет ~-\0~ь и приема ложной телесигнализации - 10"10 ( при требованиях ГОСТ соответственно 10" при соотношении сигнал/шум не менее 8/1); в нормальных условиях (при соотношении сигнал/шум 8/1) вероятность выполнения ложной
команды ТУ равна 1,6-1 О*16, а вероятность приема ложной ТС - 9-Ю'12, что на 2 порядка лучше требований ГОСТ и обеспечиваемых известными аналогами, все расчеты проиллюстрированы примерами, которые доказывают преимущества изложі иных в диссертации положений.
Достоверность определяется корректным применением теории телекоммуникационных систем, логического синтеза схемотехнических структур и алгоритмов, подтвержденных результатами приемо-сдаточных, периодических, сертификационных испытаний и результатами многолетней эксплуатации разработанных устройств в соответствии с действующими рекомендациями, стандартами и ГОСТами. Теоретические предложения и расчеты автора в соответствии с впервые выведенными соотношениями по повышению достоверности магистральной телесигнализации и телеуправления характеризуются высокой степенью сходимости с результатами измерений при испытаниях.
Личный вклад автора. Все основные результаты получены автором лично. Главными из них являются:
-разработка концепции новой мультисервисной телекоммуникационной платформы IPFone-Net;
-создание методик проектирования многофункциональных телекоммуникационных устройств с функциями мультиплексирования, коммутации и каналооб-разования на базе IPFone-Net;
-разработка процедур мультиплексирования и инкапсуляции виртуальных контейнеров, схем резервирования и защиты компонентных потоков многофункциональных телекоммуникационных устройств;
-создание новых подходов к кодированию информационных сигналов в магистральных каналах телесигнализации и телеуправления, обеспечивающих повышенную достоверность информации;
-разработка вероятностной математической модели магистральных каналов телеуправления и телесигнализации в стационарных и аварийных условиях работы РРС;
-разработка методики вычислений и способов снижения интенсивности информационных потоков и загрузки центров обработки информации систем управления РРС;
-создание экспериментальных методик испытаний и алгоритмов проверки функциональных характеристик многофункциональных телекоммуникационных устройств;
-автор диссертации принимал активное участие в разработке принципиальных электрических схем, конструкторской документации, требований и методик испытаний и проведении пуско-наладочных работ в местах эксплуатации разработанной многофункциональной телекоммуникационной аппаратуры.
Внедрение результатов работы.
Результаты теоретических исследований, проведенных в ходе выполнения диссертаци шной работы, внедрены в следующие объекты и процессы: -в мультиплексор унифицированной аппаратуры каналообразования кроссовой коммутации и передачи по линиям связи для стационарных объектов (децимальный номер РГУА 465000.001), выпускаемых серийно ЗАО НТЦ "РИС-СА" (децимальный номер РГУА 465412.030). Внедрение выполнялось в соответствии с "Программой поэтапного перевода первичной сети связи Вооруженных Сил Российской Федерации на цифровое телекоммуникационное оборудование", в рамках которой создается цифровая первичная сеть связи объединенной автоматизированной цифровой системы связи ВС РФ на основе комплексного применения цифрового телекоммуникационного оборудования общего пользования межвидового и межведомственного применения, включая цифровые каналы и тракты Единой сети электросвязи Российской Федерации. -в многофункциональный мультиплексор уровня СЦИ-1 унифицированной аппаратуры каііалообразования и коммутации» при использовании в составе радиорелейной станции комплекса Р430.
Промышленные испытания многофункционального мультиплексора, проведенные филиалом ОАО "Южная телекоммуникационная компания "Кубань-
электросвязь" (протокол №1 от 01.10.2004 -20.10.2004) показали, что многофункциональный мультиплексор достаточно адаптирован к условиям реальной эксплуатации и обеспечивает требуемые технические характеристики при работе на местных, внутризоновых и магистральных линиях связи (акты внедрений и протокол испытаний представлены в приложениях П1.2, П1.3).
Получены сертификаты соответствия системы сертификации в области связи, удостоверяющие, что разработанные многофункциональные мультиплексоры семейства IPFone соответствуют: установленным требованиям РД 45.059-99 "Аппаратура и системы передачи синхронной цифровой иерархии. Технические требования. Редакция 2-99." (Регистрационный номер ОС-1-СП-0372, срок действия 13.07.2006-13.07.2009); установленным требованиям "Технические требования на аппаратуру линейного тракта ЦСП для магистральной и внутризоновых сетей связи, работающих по симметричному кабелю", утвержденных Минсвязи России 06.07.1994 (Регистрационный номер ОС-2-СП-0366, срок действия 10.07.2006-10.07.2009). Сертификаты соответствия разработок автора диссертации установленным государственным требованиям пре {ставлены в приложении П1.4.
Диссертационная работа проводилась с целью достижения результатов, соответствующих " Приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники Российской Федерации " и решению проблем " Критических технологий Российской Федерации ".
На защиту выносятся :
-концепция новой мультисервисной телекоммуникационной платформы IP-Fone-Net;
-методика проектирования и функциональные схемы многофункциональных телеко лмуникационных устройств для оконечного оборудования РРС ;
- обобщенные схемы цифровой синхронизации, полнодоступной кроссовой коммутации, резервирования и защиты компонентных потоков многофункциональных телекоммуникационных устройств;
-схемы контроля и управления телекоммуникационной сетью , базирующиеся на протоколах SNMP;
-байт-ориентированные процедуры мультиплексирования и инкапсуляции виртуальных контейнеров при обработке высокоскоростных и низкоскоростных потоков устройства;
-вероятностная математическая модель каналов управления и контроля в стационарных и аварийных условиях работы;
-методики вычислений и способы снижения интенсивности информационных потоков и загрузки центров обработки информации систем управления РРС;
-новые п шходы к кодированию и математический аппарат для расчета достоверности сигналов магистральных телеуправления и телесигнализации;
- алгоритм управления переключением стволов РРС;
-результаты экспериментальных исследований функциональных характеристик, разработки, сертификации и внедрения многофункциональных устройств, а также подтверждение повышенной достоверности магистральных телесигнализации и телеуправления.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены на 5-й Международной научно-технической конфе-ренциия "'электроника и Информатика-XXI век" (г. Москва, Зеленоград, МИЭТ, 2005 год) и 12-й Всероссийской межвузовской научно- технической конференции "Микроэлектроника и информатика-2005" (г. Москва, Зеленоград, МИЭТ, 2005 год). Разработанная на основе теоретических положений диссертационной работы телекоммуникационная аппаратура была отмечена многочисленными дипломами престижных Международных и Всероссийских выставок и форумов, в том числе: 2-оЙ специализированной выставки Робототехника (Москва, 2004 г.), "Ведомственные и корпоративные сети связи 2004" (Москва, 2004 г.), "Электрические сети России 04" (Москва, 2004 г.), "Информатика и связь-04" (Москва, 2004 г.), "Ведомственные и корпоративные сети
связи 2003" (Москва, 2003 г.), "СВЯЗЬ-ЭКСПОКОММ 2003" (Москва, 2003 г.), Промышленно-энергетическои выставки "ТЭК-ХАЙТЭК-2003" (Москва, 2003 г.), "Ведомственные и корпоративные сети связи 2002" (Москва, 2002 г.), "Уралэнерго -2001" (Уфа, 2001 г.), "Российский Hi-End-2001" (Москва, 2001 г.), Междуі ародной специализированной выставки почтового оборудования и услуг "ПОЧТА, ТЕЛЕГРАФ, ТЕЛЕФОН-2001" (Москва, 2001 г.), "ШКОЛА -2001" (Москва, 2001), "Энергосвязь-2001" (Москва, 2001 г.).
Решением Оргкомитета Международного форума "Потенциал нации" за создание и внедрение указанной аппаратуры автор диссертации в 2006 г. награжден почетным знаком "Инженерная слава России 1-й степени" (приложение П 1.5).
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 33 работах, в том числе 7 статей в ведущих научных журналах и изданиях, выпускаемых в Российское Федерации и утвержденных ВАК РФ для изложения основных научных результатов диссертации на соискание ученых степеней доктора наук.
Без соавторов опубликовано 23 работы. Автором получены 2 патента на изобретения и 2 свидетельства на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 153 страницы основного текста, 46 страниц с рисунками и таблицами, список литературы из 136 наименований и приложения на 33 страницах.
В первой їлаве обзорного характера представлена классификация телекоммуникационных систем и сетей связь, проведен анализ современного со-стоянчя производства телекоммуникационного оборудования (ТКО). Выявлены основные недостатки ТКО, сформулированы требования к перспективным телекоммуникационным устройствам. На этой основе конкретизируются теоретические и научно-технические задачи, требующие решения в диссертационной работе,
Во второй главе предложена концепция новой многофункциональной теле-
комм>никационной платформы IPFone-Net и на ее базе разработаны методика проектирования и схемы построения многофункциональных телекоммуникационных устройств для оконечного оборудования РРС. Разработаны схемы управления и контроля, кроссовой коммутации, резервирования и защиты компонентных потоков в телекоммуникационных системах с технологией PDH/SDH. Разработаны процедуры мультиплексирования и инкапсуляции виртуальных контейнеров при обработке высокоскоростных и низкоскоростных потоке з устройства.
В третьей главе разработаны вероятностная математическая модель магистральных каналов ТС и ТУ и способы снижения интенсивности информационных потоков и загрузки центров обработки информации систем управления РРС. Предложены новые подходы к кодированию и математический аппарат для расчета достоверности магистральных телеуправления и телесигнализации. Математически обоснован достигнутый автором диссертации высокий уровень достоверности магистральных ТС и ТВ. четверток главе представлены структура, функциональные возможности и основные технические параметры разработанной многофункциональной телекоммуникационной аппаратуры каналообразования. Показаны результаты практических испытаний ее функциональных характеристик. Предложена методика и проведена экспериментальная проверка достоверности магистральных телесигнализации и телеуправления.
В заключении приведены основные теоретические и практические результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы .
В приложениях представлены документы, подтверждающие внедрение, результаты и-пытаний и качество научно-технической продукции, разработанные автором диссертационной работы, а также фрагмент программы управления мультиплексором.
Принципы построения и структуры телекоммуникационных систем и сетей связи
Развитие телекоммуникационных систем и сетей связи является одной из важнейших задач мирового сообщества на данном этапе, что обусловлено огромным значением, которые они имеют сегодня во всех сферах человеческой деятельности. Телекоммуникационные системы (ТКС), обеспечивающие связь между абонентами, находящимися на расстоянии до сотен тысяч километроь должны в первую очередь обеспечивать передачу максимального количества сообщений высокого качества при минимальных затратах на развертывание линий связи. Все это привело к необходимости создания многоканальных телекоммуникационных систем [36]. Многоканальные ТКС представляют собой совокупность технических средств, обеспечивающих одновременную и независимую передачу сообщений от N источников к N получателям по одной проводной или радиолинии. В общем виде /V-канальная ТКС может быть представлена в виде обобщенной схемы, изображенной на рис. 1.1. Первичные сигналы Crft), С2(1), ..., C„(t) поступают на преобразователи П, П2, ..., Пм, где происходит образование стандартных канальных сигналов Si(t), $2(0, ..., S„(t). Для аналитического описания этого преобразования введем в рассмотрение операторы G,(7 = /,...,A9, связывающие входные C,(t) и выходные S,(t) сигналы следующим соотношением [36] N St(t) = G [)(01- (1.1) /=/
С преобразователей канальные сигналы поступают на устройство объединения, где происходит объединение в групповой сигнал Si. Обозначив оператор объединения через 0, получим выражение N S±= 0[Ct(t,ttt)], (1.2) i=I где//,-совокупностьфизических признаков канальных сигналовS,(i).
Для согласования устройства объединения (УО) с линейным трактом уста навливается аппаратура сопряжения (АС). Линейный тракт представляет со бой комплекс технических средств системы передачи, обеспечивающий пе редачу информационных сигналов в полосе частот или со скоростью, соот ветствующей данной системе передачи [36,37]. На выходе аппаратуры со пряжения формируется линейный сигнал 5„ который передается по линии пе редачи. Линейный сигнал, проходя через элементы ТКС, претерпевает ли нейные и нелинейные искажения и подвергается воздействиям преднаме ренных и і епреднамеренных помех. Введем следующие обозначения: S(t) сигнал на входе приемной части системы; L - оператор, характеризующий линейные искажения; Z- оператор, характеризующий нелинейные искажения; D(t) - аддитивная помеха. Тогда принятый сигнал может быть записан в виде S(t)=L[S(t)]+Z[S(t)]+ b{t). (1.3)
Из АС сигнал поступает на устройство разделения (УР), где по отличительным признакам, заложенным в передающем оборудовании, происходит разделение сигнала. Обозначим через Ф операторы разделения (фильтрации) и через S (t,fi) сигналы на выходах разделителей. С учетом этих обозначений будем меть следующее равенство: S,(ttii)=0SS(t)] (1.4)
После преобразователя П, образуется с некоторыми искажениями первичный сигнал C,(t). Таким образом, чем меньше сигнал C,(t) на выходе /-го канала отличается от сигнала С/г), на его входе, тем выше качество связи [36]. Численная оценка качества связи осуществляется по критерию достоверности, представляющему собой функционал от разности сигналов на входе и выходе канала: E FfC/O-C/t)]. (1.5) При передаче аналоговых сообщений часто применяют критерий средне-квадратиче кого отклонения: ;Т = -i[ct(t)-C,(t)fa. (1.6) 1 о где Т- длительность сигнала [37].
При передаче дискретных сообщений критерием достоверности обычно служит вероятность ошибки Рош, т. е. вероятность неправильного воспроизведения переданного символа. Аналогичный принцип построения многоканальной системы передачи реализуется и для цифровых систем.
В рамках рассмотрения основ построения телекоммуникационных систем и сетей проанализируем основные структуры сетей связи. Основой для построения сети связи любой сколь угодно сложной структуры являются так называемые элементарные структуры.
Разработка мультисервисной технологии IPFone-Net на основе высокоскоростной системной шины
Проведенный в первой главе анализ современного состояния информационно- телекоммуникационных систем и устройств показал, что в настоящее время актуальной является задача создания многофункциональных телекоммуникационных устройств, включающих средства сопряжения, мультиплексирования и каналообразования в рамках единой унифицированной платформы, объединяющей все существующие типы интерфейсов, задач кроссовой коммутации и обработки сигнализации. Создание такой технологии очевидно предполагает интеграцию высоко- и низкоскоростных шин в рамках одного устройства, использование специальных протоколов, обеспечивающих быструю коммутацию каналов с различной пропускной способностью [79, 85].
Существующие в настоящее время решения не позволяют осуществить всю необходимую функциональность в рамках одной телекоммуникационной платформы.
Для решения указанных выше проблем в диссертационной работе был предложен новый концептуальный подход к созданию мультисервисной телекоммуникационной платформы, получивший название IPFone-Net [74, 79,85].
В основу технологии IPFone-Net заложена идеология создания виртуальных каналов, позволяющая любому объекту мультисервисных услуг стать равноправным узлом универсальной сети, которая выступает в качестве первичного транспортного уровня с последующим наложением на него соответствующих сетевых уровней. В качестве формата транспортного пакета выбран формат пакетной коммутацш ATM [62-64]. Под универсальной или единой сетью подразумевается сеть, которая путем динамической переконфигурации меняет свои свойства, количество услуг, пропускную способность для каждой услуги, а самое главное, не зависит от того, какие услуги будут востребованы в будущем. Для сети, по
строенной по технологии IPFone-Net, абсолютно безразлично какой вид трафика проходит через нее. Сеть легко может адаптироваться к запросам сегодняшних или будущих терминалов сети. На рис.2.1 представлена предложенная в работе обобщенная схема построения мультисервисной сети на основе технологии IPFone-Net, включающая широкий спектр телекоммуникационного оборудования ( абонентских терминалов, маршрутизаторов разных уровней и магистральных шлюзов) [79,85].
Обобщенная схема построения мультисервисной сети на основе технологии IPFone-Net В соответствии с концепцией, заложенной в технологию IPFone-Net, мульти-сервисная сеть представляет собой распределенную мультисервисную АТС, которая поддерживает сеть передачи данных и сеть с коммутацией каналов, а так же ATM и IP-соединительные линии, ATM и IP-абонентов, выполняя при этом функции симметричного шлюза. Каждый из абонентских терминалов соединяется с маршрутизатором первого уровня и обеспечивается каналом с полосой пропускания в интервале от 50 бит/с до 10 Мбит/с в соответствии с требованиями абонента и параметрами терминала. Маршрутизаторы и первого, и второго уровня работают на принципах коммутации пакетов и формируют виртуальное соединение между терминальными устройствами с маршрутизацией пакетов между ними. Виртуальное соединение может состоять из произвольного количества сегментов, каждый из которых представляет собой виртуальный канал внутри магистрального канала. В качестве магистрального канала может выступать любой порт маршрутизатора со скоростью от 115 Кбит/с до 622 Мбит/с.
Маршрутизаторы EPFoneR , IPFone-LR, IPFone-MR построены таким образом, что оил могут быть взаимозаменяемыми по функциональным возможностям для решения конкретных задач. Любой магистральный канал является объектом, позволяющим создавать в нем до 65533 виртуальных каналов. Для получения доступа к сети, параметры подключаемого устройства должны быть прописаны в административной таблице [74,79,85,86].
В маршрутизаторе имеется таблица конфигурации устройств и таблица маршрутов. При подключении устройства к маршрутизатору автоматически определяются параметры устройства, максимально возможное количество одновременно поддерживаемых соединений данным устройством, максимально необходимая скорость для каждого соединения, количество попыток отправки пакета, размер буфера памяти для каждого соединения, ограничение времени работы, ограничение трафика и другие параметры. После регистрации в таблице маршрутов прописывается маршрут устройства. За каждым устройством может быть закреплен единственный номер, диапазон номеров, группа диапазонов номеров.
В процессе установления соединения маршрутизатор просматривает активные маршруты. И если запрошенный маршрут идентифицируется с активными в данный момент времени маршрутами, запускается процесс установки соединения с устройс вом, имеющим запрашиваемый маршрут. Если запрашиваемое устройство дает отказ в установке соединения, маршрутизатор осуществляет поиск других маршрутов, что позволяет динамически сканировать активные шлюзы.
Математическая модель каналов магистрального телеуправления и телесигнализации радиорелейных станций
Современная телекоммуникационная радиорелейная линия связи с магистральной архитектурой является сложным распределенным объектом, требующим многоступенчатого управления, включающими телеобслуживание РРС и РРЛ; управление телекоммуникационной сетью [49,50]. Основными задачами телеобслуживания станции являются: - магистральная телесигнализация (ТС) - отображение состояния с выработкой сигнала обобщенной аварии станции, а также аварий по отдельным функцио нальным узлам: приемник; передатчик; синтезатор; модем; мультиплексор; ис точники питанчя и др.; -контроль основных характеристик: уровень мощности передатчика, уровень сигнала на входе приемника, напряжения вторичного источника питания; измерение текущей достоверности и основанный на нем контроль качества работы в соответствии с рек. МСЭ-Т G.826 и М.2100; - магистральное телеуправление (ТУ), которые формируются на основе теле сигнализации о состоянии агрегатов РРС и представляют собой команды для автоматического включения, выключения или переключения стволов РРС.
Необходимо отметить, что функции управления и контроля телекоммуникационной сети решены в диссертационной работе за счет использования собственного протокола "Norma-Y ", основанного на протоколе прикладного уровня SNMP (см. главу 2) [89,90, 104]. В данном разделе настоящей диссертационной работы рассматриваются вопросы повышения достоверности и эффективности информационных обменов каналов магистральной телесигнализации и телеуправления. В последнее время все большую актуальность для разработчиков и пользователей систем связи приобретают вопросы организации и повышения эффективности систем обслуживания радиорелейных станций (СОРРС) и, в частности, вопросы повышения эффективности информационных обменов каналов телеуправления (ТУ) и телесигнализации (ТС) [54-56].
Как было показано в главе 1, интеграция функций магистральных ТС и ТУ в рамках многофункциональных телекоммуникационных устройств позволяет на их базе создать высокоэффективную систему управления РРС и РРЛ. Одним из основных критериев надежной работы указанных систем является задача достижения эффективного использования информационных ресурсов каналов телесиггализации и телеуправления при их ограниченной пропускной способности [107]. Действительно, объединение в рамках одной системы достаточно большого количества МТУК может привести к увеличению вычислительной нагрузки на ЦПУ, что приводит к возникновению очереди на обслуживание информационных потоков, снижению темпа обработки информации и падению реального быстродействия в целом. Для определения возможностей СОРРС по обслуживанию и обработке инфоомационных потоков был проведен вероятностный анализ интенсивности информационных потоков каналов ТС и ТУ. В общем случае поток данных канала ТС является вероятностным и представляет собой сочетание однородных или неоднородных событий, возникающих в случайные промежутки времени. Приемлемыми допущениями аппроксимируем данные канала ТС пуассоновским простейшим потоком [108,109]. Указанный поток характеризуется интенсивностью - 2/, определяемой по среднему числу изменений состояний контролируемых функциональных узлов систем. В ряде случаев поток данных канала ТС обязательно должен дополняться дублирующими посылками по вызову, страхующими при отсутствии информации из-за неисправности аппаратуры или канала связи. Образуемый при этом поток также можно представить как простейший, характеризующийся интенсивностью Яг [ПО]. Информационный поток команд телеуправления связан с потоком канала ТС, поскольку при самопроизвольном изменении состояния функционального узла необходима коррекция его состояния с помощью команды ТУ. Таким образом можно распространить ранее сделанные предположения и на поток канала ТУ, считая его простейшим с интен сивностью X]. Очевидно, что обобщенный поток каналов магистрального телеуправления А телесигнализации (ТУ-ТС) также является простейшим и характеризуется суммарной интенсивностью Лту.тс АТУ-ТС =2Л,+Я2. (3.1)
Найдем вероятность того, что любое сообщение магистрального канала ТУ-ТС будет обслуживаться без задержки, т.е. при отсутствии возникновения очереди - Р.. Указанное событие произойдет в случае одновременного выполнения двух условий: любое требование на передачу информации возникает при отсутствии передачи по предшествующим требованиям; за время передачи информации по предшествующему требованию не возникает нового [107-110]. Тогда в соответствии с теорией вероятности имеем Р. = РтоРпо, (3.2) где Роо- вероятность того, что в процессе передачи не возникает ни одного требования или вызова данных; Pro- вероятность отсутствия ожидания начала передачи по предыдущему требованию или вызову [111-113].
Событие с вероятностью Роо может осуществиться при одновременном выполнении двух условий: при отсутствии требования в момент времени /, оно не возникнет в течение времени t+т, при отсутствии вызова в момент времени t, он не возникнет в течение времени t+т [107-110].
Структура, функциональные возможности и основные технические пара метры разработанной многофункциональной телекоммуникационной аппара туры каналообразования и коммутации
Разработанные в предыдущих главах основные научные положения и методики построения многофункционального телекоммуникационного устройства каналообразования позволили создать производственную линейку гибких многофункциональных мультиплексоров (серии lPFone-MUX, IPFone-MCL, ГР-Fone-xDSL, IPFone-A34, IPFone-A155, IPFone-A622), выпускаемых серийно ЗАО НТЦ "РИССА" и поставляемых во многие регионы России и страны СНГ (в приложении ПІЛ представлена карта внедрения результатов диссертационной работы в регионах РФ). Научной основой создания нового многофункционального оборудования лежит разработанная в диссертационной работе телекоммуникационная платформа IPFone-Net, базирующаяся на идеологии высокоскоростной системной шины и быстродействующей коммутации каналов. Ее обобщенная схема представлена на рис.4.1. Платформа имеет модульную структуру, включающую следующие основные модули.
Модули управления и контроля (МУК) предназначены для формирования первичного потока 2048 Кбит/с (EI), потока 2 Мбит/с (xDSL) или оптического от 2 Мбит/с дс 155 Мбит/с путем мультиплексирования каналов сформированных аналоговыми и цифровыми интерфейсами. При этом они могут выполнять следующие функциональные задачи: мультиплексирования подчиненных каналов в первичную ИКМ-группу, имеющую скорость передачи 2048 Кбит/с (Е1), 2 Мбит/с (xDSL) или оптическую от 2 Мбит/с до 155 Мбит/с; мультиплексирование каналов, используя стандарты компрессии G.711 (64 Кбит/с), G.726 (32 Кбит/с), G.726 (16 Кбит/с); сопряжения с цифровой сетью передачи с помощью различных согласующих устройств [74, 79, 85, 86, 98, 124, 125]. Положенная в основу построения многофункционального устройства концепция IPFone-Net впервые позволяет осуществить следующие принципиальные возможности : назначение согласующим устройствам любых канальных интервалов в 2-мегабитном сигнале; быстрое выделение первичного 2Мбит потока из потока высшей иерархии; использование различной компрессии каналов в зависимости от их назначения; высокая скорость конфигурации и адаптивность управления.
Модули аналоговых (МАО) и цифровых окончаний (МЦО) выполняют функции: сопряжения аппаратуры радиорелейных станций по цифровым стыкам С 1-И, ОЦК, RS-232, RS-485, G.703, G.957 и xDSL; управления цифровыми потоками, оперативного контроля и сигнализации о состоянии аппаратуры радиорелейных линий; сопряжения с аналоговыми сигналами 2-х проводных абонентских линий, 3-х, 4-х проводных соединительных линий, каналами ТЧ.
Модули компрессии предназначены для компрессии/декомпрессии сигналов (ADPCM) и соответствии с рекомендациями G.711 (64 Кбит/с), G.726 {32 Кбит/с), G/. 26 (16 Кбит/с) МСЭ-Т [92-96].
Модуль обработки сигнализации осуществляет преобразование протоколов обмена сигналами с целью сопряжения во взаимоувязанной сети связи РФ коммутационных узлов и станций различных типов и систем. Модуль способен одновременно в одном устройстве осуществлять взаимное преобразование нескольких интерфейсов и протоколов сигнализации из числа наиболее широко применяемых на ВСС России, в современных и зарубежных станциях. Кроме того, он может выполнять функции маршрутизатора. Типы поддерживаемых кодов линейной сигнализации: R2 по рекомендации Q.421 МСЭ-Т (1TU-Т); 2ВСК по таблицам 7.18, 7.19, 7.20 ОГСТФС; одночастотная по таблицам 7.7, 7.9, 7.10 ОГСТФС; 1ВСК "код Норка" по таблицам 7.11, 7.12 ОГСТФС; 1ВСК "Индуктивный код". Типы поддерживаемых кодов регистровой сигнализации: батарейный набор номера; многочастотный код "2 из 6" по таблицам 7.28, 7.34 ОГСТФС; АОН по таблице 7.34 ОГСТФС; MFC (R2) по рекомендации Q.421 МСЭ-Т (ITU) [126]; DTMF Типы обрабатываемых протоколов доступа; DSS1 по рекомендации ETS 300 102; ОКС 7 Типы сигнализаций сетей АТ/Телекс; SigBn; Формирование и приём частотных каналов тонального телеграфирования (с возможностью встречной работы с оборудованием типа ТТ48, ТТ144); последовательный RS232 ; Ethernet (SNMP V1/V2).
Разработанная на основе платформы IPFone-Net линейка многофункциональных гибких мультиплексоров сертифицирована и соответствует всем установленным государственным требованиям (для примера в приложении П1.4 представлены сертификаты на некоторые устройства).
Технические и функциональные характеристики разработанных на основе материалов диссертационной работы гибких многофункциональных мультиплексоров рассмотрим на примере мультиплексора унифицированной аппаратуры каналооСразования и коммутации с адаптивным конфигурированием и высокой помехообрывоустойчивостью со встроенной системой управления для стационарных объектов (МККс), (децимальный номер РГУА 465412.030).
МККс предназначен для гибкого уплотнения кабельных (электрических и волоконно-оптических), радиорелейных, тропосферных линий связи МО РФ со скоростями передачи 64, 256, 512, 1024, 2048, 8448, 34368 кбит/с и 155,52 Мбит/с аналоговыми и устойчивыми к проскальзованиям цифровыми каналами с номинальными скоростями передачи 1,2; 2,4; 4,8; 9,6; 16; 32; 48; 64; 240; 480; 2048; 8448 и 34368 кбит/с, а также для автоматизированной кроссовой коммутации ооразуемых каналов и трактов. Аппаратура соответствует требованиям группы 1.1, 1.2.3 согласно ГОСТ РВ 20.39.304-98 для варианта климатического исполнения «УХЛ» для постоянно отапливаемых помещений [127].
