Разработка метода контроля параметров отражений линий передачи пассивных оптических сетей и подсистемы технического обслуживания

Сегодня основной задачей телекоммуникационных систем является расширение сферы предоставляемых услуг и повышение их качества. Практика показала, что успешное решение такой задачи получается при внедрении систем передач со статистическим мультиплексированием — ATM [1, 2]. Одной из разновидностей систем ATM являются сети Ethernet, получившие широкое распространение по России в «медном» варианте (витая пара, коаксиальный кабель), а с внедрением волоконно-оптических линий передачи (ВОЛП) строятся как гигабитная или десятигигабитная сеть с базовой топологией «точка-точка», кроме того, в последнее время мигрируют к интеллектуальным волоконно-оптическим сетям (сетям типа PON — passive optical networks) с разветвлённой топологией. Однако усложнение сети как с точки зрения повышения битовых скоростей, так и развития архитектурно-топологических решений приводит к повышению требований к элементной базе и аппаратной составляющей, главным образом — к линейному тракту ВОЛП. Очевидно, что развёртывание систем типа Ethernet и PON требует высокосогласованного оптоволоконного тракта, построенного на основе световодов с одинаковыми параметрами (единой серии, единого производителя), содержащего специализированные волоконно-оптические устройства [3, 4], компенсирующие отражённое распространяющееся обратно излучение, нежелательные интерференционные эффекты, дисперсионные искажения сигнала и нелинейные оптические эффекты в случае применения плотного волнового мультиплексирования xWDM. К сожалению, последнее требование является трудноосуществимым для Российских ВОЛП ввиду как из-за значительной стоимости оптоволоконных компонентов, так и быстрого их морального старения. При развёртывании указанных сетей на существующих ВОЛП, предназначенных, как правило, для передачи низкоскоростного сигнала (содержащих, например, коннекторы типа PC вместо АРС [3], разнородные отрезки световодов, в том числе многомодовых и т. д.) появляются так называемые «режимы некорректной работы сети» [5], а в случае попытки оператора «уплотнить» сетевые задачи, например, повысить пропускную способность за счет организации дуплексного оптического канала без использования режима WDM (сохранив данную возможность для другой технической цели), сеть в определённых ситуациях может вообще оказаться неработоспособной. Тогда сетевой оператор остаётся перед выбором: либо отказаться от внедрения того или иного телекоммуникационного стандарта, приложения, услуги, развития и модернизации сети ввиду их экономической неоправданности в интегральном смысле, либо организовать научно-техническую разработку и внедрить оригинальные технические решения. В последнем случае представляется возможным достигнуть требуемый результат не только с меньшими экономическими затратами, но и обеспечить более эффективную модернизацию.

Следует отметить, что на пути выполнения опытно-конструкторских разработок в области телекоммуникаций существуют нерешённые вопросы и научно-исследовательского направления. Известные математические модели систем связи в основном направлены на решение двух классов задач. Первыйисследование влияющих факторов на канал передачи данных, с последующим выбором алфавита источника, способа помехоустойчивого кодирования и пр. (задача Шеннона) [6], многоканальных систем связи — добавляются исследования по ортогональности и условиям последующего разделения передаваемых сигналов [7]. Для синхронизируемых систем связи — исследования по выбору оптимального сигнала синхронизации [8] (включая цикловую синхронизацию), структуры схем подстройки частоты [9] для принимаемых сигналов. Второй класс задач посвящён расчету по мощности и дисперсионным искажениям оптоволоконных систем [10], [11] (длины регенерационного участка, Ree. G.681, G.692) с учётом потерь в световодных соединителях, разветвителях, на преобразование и т. д. для обеспечения требуемого уровня критериев качества передачи. В стационарном случае — вероятности битовых ошибок (РЕ), в нестационарном добавляются: количество секунд с ошибками (NES) и количество сильно поражённых секунд (NMES). Параметры NES и NMES определяются экспериментально (по результатам эксплуатации) по факту превышения параметра РЕ над установленным значением [9]: для «канала передачи данных» должно выполняться 0.3 > PENEs > 10~9, «канала передачи голоса» — 0.3 > PENEs > Ю" 6, для обоих типов каналов PENMes ^ 0−3. Известные математические модели критериев качества передачи [12], [13] и т. д., использующиеся при выборе сетевых решений, оптимизации архитектуры волоконно-оптических систем передач (ВОСП), построены, как правило, для случая единообразных отдельно взятых задач без учёта их множественности и взаимного влияния, что в значительной степени присуще реальным условиям эксплуатациитакже без учёта ограничений на логическую структуру сети, характеризующих технические ограничения оператора и определяющую аппаратные и виртуальные возможности системы передачитакже неидеальности ВОЛП как системы для данной задачи, так и компонентов ВОЛП.

Существующие учебно-методические, руководящие и нормативно-технические документы (НТД) [1, 2, 10, 11, 14 — 19] и т. д., содержащие системный подход к описанию работы цифровых сетей в том числе сетей ATM, не отражают как характеристик реальных сигналов с возможными искажениями и уровнем шума, так и параметров работоспособности реально эксплуатируемой сети — статистического характера пропускных способностей, искажений логического и алгоритмического характера, неадекватного считывания оптического сигнала, связанного с техническими параметрами линий связи и узловой аппаратуры. Задача обеспечения требуемого качества предоставления услуг и качества обслуживания, как правило, решается путём неоправданного завышения системного запаса, а следовательно — стоимости передаваемого информационного бита.

Новые технические задачи, поставленные промышленностью перед системами передачи по увеличению скорости, объемов передаваемой информации, расширению областей технических приложений и эффективности, приводят к необходимости моделирования, последующей оптимизации и пересмотра принципов проектирования, управления и контроля сетью. В связи с этим задачи построения новых инженерных методик проектирования и расчёта ВОСП, предназначенных как для эксплуатации сети в нестандартных (ненормативных) условиях, так и эффективной низкозатратной модернизации (обеспечивающей, например, расширение пропускной способности), являются актуальными. Диссертация посвящена разработке новых математических моделей, методик расчёта и схемотехнических моделей сетевых устройств для волоконно-оптических сетей со статистическим методом мультиплексирования.

Основные результаты диссертационной работы получены с использованием положений теории линейной и волноводной оптики, статистических и 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.

Новые научные результаты, выносимые на защиту:

1. 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.

2. 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.

3. 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.

Основные результаты диссертационной работы были доложены на:

Восьмой международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций», г. Уфа, 2007; XIII Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь КЬЖГ2007» 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. 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.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографии и приложения.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Предложен метод контроля параметров отражений пассивных оптических сетей, основанный на дополнительных операциях адресации узлов сети и тестирования сегментов. В отличие от традиционных, предложенный метод • основан на интегральном учёте формы огибающей оптической мощности и формы чирпа адресного импульса, тем самым позволяет задавать адрес узла без применения цифровой регенерации, а также анализировать отражённый сигнал.

2. Предложена методика определения параметров искажений формы адресного импульса, которая в отличие от известной построена с учётом действия взаимосвязанных многолучевых интерференционных эффектов в оптоволоконном тракте. Методика позволяет оптимизировать форму адресного импульса для заданного сегмента.

3. Разработан подход к созданию подсистемы технического обслуживания, предназначенной для коррекции работоспособности основной сети, основанный на подборе алфавита форм адресных импульсов в зависимости от условий поставленной задачи, обеспечивающий их различимость на фоне помех. Подход позволяет оптимально определять форму адресного импульса посредством итерационного пересчёта в зависимости от параметров сегмента и уровня масштабирования сети.

4. Разработана модель подсистемы технического обслуживания, основанная на управлении схемой аварийных состояний узлового оборудования, которая в отличие от используемой традиционно предполагает анализ рефлекто-граммы, построенной на основе собственного отражённого адресного импульса. Данная схема позволяет производить достоверное обнаружение состояния «петля линии» с выдачей расстояния от узла связи до некорректного соединения, тем самым обеспечивает адекватность принятия решения.

5. Разработана методика и проведено экспериментальное исследование работоспособности новых схемотехнических решений. Методика заключается в выявлении диапазона значений конструктивных параметров, обеспечивающих работоспособность схем, и позволяет проводить анализ и уточнение форм адресных импульсов, разработанных для сегментов на основе вычислительного эксперимента. Установлено, что применение новой схемы коррекции аварийных состояний позволяет улучшить безотказность сети Ethernet на 40.50% посредством адекватного анализа её текущей работоспособности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполненного исследования разработана математическая модель процесса распространения чирпированного импульса в оптоволокне, обладающем дисперсией и нелинейно зависимым показателем преломления от интенсивности, с учётом многолучевой интерференции. Последняя возникает в так называемых элементах ИФП из-за неидеальности мест сборки оптоволоконного тракта — это несогласованные разъёмы, разветвители и ответвители, неправильная сварка. В случае, когда такой элемент ИФП является единственным, для короткого сегмента могут быть применены соотношения, полученные при описании брэгговских решёток. Но при описании реальных сетей элементов ИФП, как правило, несколько, кроме того, сегменты следует считать протяжёнными по отношению к приведённой длине импульса [37]. В этой связи известная модель была доработана на случай нескольких элементов ИФП и протяжённого сегмента ВОЛС. Использование разработанной математической модели даёт возможность более корректно по отношению к известной модели провести оценку параметров формы сложного импульса, распространяющегося по оптоволокну.

Изучена возможность считывания сложного чирпированного импульса на фоне помех. В отличие от известной, представленная статистическая модель оценки формы (огибающей оптической мощности) импульса предполагает получение информации, содержащейся в функциональной зависимости Р ({). Предложено также принять к рассмотрению параметр, характеризующий правильность считывания — вероятности ошибки считывания символа, причём отличия символов характеризовать через среднеквадратическое отклонение. Разработана методика получения алфавита таких аналого-символьно-модулированных импульсов. На базе разработанных математических моделей проведён вычислительный эксперимент по определению адаптированных форм импульсов под заданные параметры сетевых сегментов. Установлено, что такие формы могут быть получены, если накладывается жёсткое ограничение на случайный дрейф тока писания лазера (случайная составляющая не более 10″ 3% от модулирующей величины). Кроме того, была обнаружена «не естественная» взаимозависимость функций мощности и чирпа — не по линейному, либо квад-ратическому законам, а другим образом, содержащим колебательную составляющую. Для схемотехнической реализации проекта, целью которого являлось создание подсистемы диагностики для сетей типа Ethernet, была собрана научно-исследовательская установка, содержащая как блоки считывания и анализа АСМ-импульса, так и устройство его воспроизведения — так называемый «вы-читатель мощности», обеспечивающий реализацию требуемых функций P (t) и X (t). В результате натурного эксперимента удалось подтвердить возможность создания служебной подсистемы, основанной на использовании АСМ-импульсов, изначально полученных теоретически.

По завершению работы над диссертацией предполагается продолжить научно-исследовательскую деятельность в области построения и доводки инженерных методик расчета показателей надёжности и отказоустойчивости сетевого оборудования системы телекоммуникаций с учётом реальных условий эксплуатации.