Анализ методов мониторинга показателей качества функционирования волоконно-оптической транспортной сети

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Техническая политика Узбекского агентства связи и информатизации направлена на внедрение волоконно-оптических систем на всех уровнях транспортной сети (магистральной, внутризоновой, местной) с последующим переходом к полностью оптической сети Республики Узбекистан.

Интенсивное развитие телекоммуникационной сети выдвигает на первый план задачу централизованного контроля ВОСП на предмет соответствия характеристик и параметров функционирования систем нормативным требованиям. Для контроля большого количества различных параметров волоконно-оптической транспортной сети (ВОТС) и ее элементов необходимо использовать различные средства контроля (автономные, специализированные) отличающиеся функциональными возможностями, принципами построения, степенью автоматизации, возможностями, подключения к контролируемому объекту и т.д. Контроль соответствия включает также процедуры измерения, тестирования, диагностирования, анализа. Данных процедур необходимо рассматривать с позиции сквозного контроля “от точки до точки” в ВОТС. Распределенная система измерения, тестирования, диагностирования и анализа характеристик и параметров ВОТС с централизованным получением результатов называется мониторингом.

В соответствии с особенностями контролируемых объектов телекоммуникации, требование к качественным показателям функционирования и взаимодействия контролируемой системы с объектом, выбираются контролируемые характеристики, параметры сети, средства измерения и методы мониторинга. Система мониторинга осуществляет контроль функционирования ВОТС и позволяет обнаружить неисправности элементов сети для последующего их устранение.

Актуальность темы исследования ввиду постоянного совершенствования технологий телекоммуникации научно - методические аспекты разработки, внедрение и эксплуатации систем мониторинга, применительно к волоконно-оптическим транспортным сетям и ВОСП, недостаточного исследованные. Вышеизложенное показывает актуальность анализа методов мониторинга показателей качества функционирования ВОТС.

Таким образом, изучение и анализ построения современных волоконно-оптических систем передачи и телекоммуникационным сетей, требований к качеству их функционирования выдвигают на первый план создание систем контроля их технического состояния на основе системы мониторинга основных системных и эксплуатационных показателей качества функционирования ВОТС.

Целью исследования является анализ методов мониторинга показателей качества функционирования ВОТС.

Для достижение этой цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. Рассмотреть принципы построения волоконно-оптических систем и сетей передачи, а также модели оптической транспортной сети с позиции контроля показателей качества функционирования систем и сети в целом.

2. Провести анализ методов контроля технического состояния волоконно-оптических систем и сетей телекоммуникации.

3. Разработать научно-методологических аспектов построения мониторинга ВОТС и предложить подходы к построению модели системы мониторинга телекоммуникационной сети с позиции ее сквозного контроля на основе тестирования.

4. Исследовать особенности непрерывного контроля волоконно-оптического линейного тракта на основе мониторинга использующего методы контроля среды передачи, активных и пассивных элементов ВОСП.

5. Рассмотреть системные показатели качества функционирования ВОТС базирующиеся на анализе битовых ошибок и источников их возникновения, методах оценки и процедурах расчета показателей ошибок на основе ES и SES.

6. Исследовать задачи выявления и нейтрализации несанкционированного доступа (НСД) к волоконно-оптическому кабелю основанная на применение систем мониторинга ВОЛС с использованием средств оптической рефлектометрии.

Объектом исследования являются ВОТС и ВОСП показатели качества их функционирования.

Предметом исследования является методы мониторинга показателей качества функционирования ВОТС и ВОСП базирующихся на системных измерениях частности ошибок, средств и режимов контроля, методов контроля среды передачи, тестирования вероятности ошибок, а также исследование научно-методических аспектов мониторинга несанкционированного доступа к ВОЛС.

Научная новизной исследования заключается в рассмотрении методологических аспектов мониторинга показателей функционирования ВОТС и несанкционированного доступа к ВОЛС.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертации применялись методы теории телекоммуникационных систем и сетей, метрологии, теории вероятности и математической статистики.

Теоретическая значимость исследовании заключается в использование системного подхода при изучении вопросов построения системы мониторинга в ВОТС.

Практическая значимость работы заключается в том, что предлагаемые научно-методологические аспекты построения системы мониторинга ВОТС позволят реализовать эффективный централизованный контроль параметров функционирования сети и несанкционированный доступ к ВОЛС.

1. Контроль характеристик и параметров волоконно-оптических систем и сетей телокоммуникации

1.1 Построение волоконно-оптически систем передачи и телекоммуникационный сетей

Под системой передачи принято понимать комплекс технических средств, обеспечивающих образование линейных, трактов, типовых групповых трактов и каналов передачи первичной сети. При этом линейными трактами называют комплекс технических средств, обеспечивающих передачу сигналов электросвязи в полосе частот или со скоростью, соответствующей данной системе передачи. В зависимости от среды распространения линейный тракт называют кабельным (волоконно-оптическим, электрическим), радиорелейным, спутниковым или комбинированным, а по типу системы передачи - аналоговым или цифровым.

В системах передачи под каналом передачи принято понимать комплекс технических средств и среды распространения, обеспечивающий передачу сигналов электросвязи в определенной полосе частот или с определенной скоростью передачи (например, ОЦК 64 кбит/с) между сетевыми станциями, сетевыми узлами или между сетевой станцией и сетевым узлом, а также между сетевой станцией или сетевым узлом и оконечным устройством первичной сети. Каналы подразделяются на аналоговые и цифровые. Для их согласования применяются аналогово-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи (АЦП и ЦАП). В зависимости от скорости передачи сигналов электросвязи цифровой канал называют основным (ОЦК), первичным (ПЦК), вторичным (ВЦК), третичным (ТЦК), четверичным (ЧЦК) [1].

Узел сетевой -- комплекс технических средств, обеспечивающий соединение сетевых станций первичной сети, образование и перераспределение сетевых трактов, типовых каналов передачи и типовых физических цепей, а также предоставление их вторичным сетям. Узел может быть магистральным, внутризоновым или местным, а в зависимости от объема выполняемых функций -- сетевым узлом переключения или выделения (ввода).

Станция сетевая -- комплекс технических средств, обеспечивающий образование и предоставление вторичным сетям типовых физических цепей, типовых каналов передачи и сетевых трактов, а также их транзит.

Совокупность линейных трактов систем передачи и (или) типовых физических цепей, имеющих общие линейные сооружения, устройства их обслуживания и одну и ту же среду распространения в пределах действия устройств обслуживания называют линией передачи. В зависимости от первичной сети, к которой принадлежит линия передачи, её называют магистральной, внутризоновой или местной.

Цифровые волоконно-оптические системы передачи являются основой для построения транспортной сети Республики Узбекистан.

Под транспортной сетью принято понимать совокупность ресурсов систем передачи (каналов, трактов, секций или участков передачи), относящихся к ним средств контроля, оперативного переключения, резервирования и управления, предназначенных для переноса информации между заданными пунктами. Составной частью транспортной сети являются сети синхронизации и управления.

Сеть синхронизации образуется совокупностью тактовых генераторов, взаимодействующих в определённом порядке, систем распределения синхросигналов и самими синхросигналами.

Сеть управления -- специальная сеть, обеспечивающая управление сетью электросвязи и её услугами путем организации взаимосвязи с компонентами сети электросвязи (сетевыми станциями и сетевыми узлами) на основе единых интерфейсов и протоколов, стандартизированных МСЭ-Т.

Волоконно-оптические системы передачи активно используются в транспортных сетях и в сетях доступа для передачи цифровых сигналов. На рис.1.1 представлена обобщенная схема оптической системы передачи, в которой блоками отображены возможные виды оборудования систем передачи.[1.2].

Рис. 1.1. Обобщенная схема оптической системы передачи

Мультиплексор -- устройство, обеспечивающее объединение нескольких независимых каналов на передаче и их разделение на приеме. Мультиплексор объединяет цифровые каналы.

Цифровые каналы имеют определенные стандарты скоростей передачи данных. Основной цифровой канал 64 кбит/с формируется на основе импульсно-кодовой модуляции ИКМ (дискретизация тонального сигнала во временном интервале 125 мкс и восьмиразрядное кодирование). Другие цифровые каналы определены следующим образом:

- первичный цифровой канал -- 2 048 кбит/с;

- вторичный цифровой канал -- 8 448 кбит/с;

- третичный цифровой канал -- 34 368 кбит/с;

- четверичный цифровой канал -- 139 264 кбит/с [1].

В цифровых каналах могут передаваться информационные сигналы с соответствующим спектром или скоростью передачи данных.

В оптических системах передачи основное применение получили цифровые мультиплексоры, т.к. образуемые ими групповые сигналы представлены в двоичном коде, который придает высокую помехоустойчивость передаваемой информации. Широкое распространение получили электронные цифровые мультиплексоры технологий PDH, SDH, ATM.

Мультиплексирование также может быть реализовано для оптических каналов. Аналоговые оптические мультиплексоры позволяют объединять/делить определенное количество каналов, образованных на различных оптических несущих частотах в окнах прозрачности одномодовых оптических волокон. Например, в третьем окне прозрачности (1530…1565 нм) определено местоположение 50 оптических каналов в полосе волн от 1528.77 нм до 1560.61 нм с интервалом не более 2 нм, согласно рекомендации МСЭ-Т G.692. Такой вид мультиплексирования получил название мультиплексирование с разделением по длине волны -WDM.

Цифровое оптическое мультиплексирование, называемое оптическим мультиплексированием с разделением по времени OTDM и кодовым делением OCDM, пока не получило широкого распространение из-за ряда технологических проблем реализации оптических мультиплексоров коротких импульсов. Однако OTDM может найти применение в оптических мультиплексорах в коротких системах передачи с использованием оптических солитонов, а OCDM - в пассивных оптических сетях доступа (PON).

Оптический конвертор в системе передачи выполнят главные функции по преобразованию электрических сигналов в оптические на передаче и оптических в электрический с их регенерацией на приеме (рис.1.2.)



Рис. 1.2. Схема оптического конвертора

цифровой мультиплексор оптический

Преобразователь линейного кода цифрового сигнала формирует сигнал с повышенной помехоустойчивостью передачи. Передающий оптический модуль (ПОМ) обеспечивает модуляцию оптического излучения и стык с оптической средой (волоконной линией). Приемный оптический модуль (ПрОМ) преобразует оптическое излучение в электрический сигнал, производит коррекцию искажений, усиление и регенерацию цифрового сигнала. При этом выделяется тактовая частота, которая используется для синхронизации приемной части мультиплексора с целью правильного демультиплексирования каналов.

В состав системы передачи могут входить оптические усилители ОУс, которые позволяют увеличить мощность одноволнового или многоволнового сигнала на передающей стороне или повысит чувствительность приемника. Оптические усилители имеют хорошо согласованные характеристики с оптическими передатчиками, приемниками и волоконно-оптическими линиями.

Промежуточные станции системы передачи могут быть представлены различными устройствами: электронными регенераторами, оснащенными оптическими конверторами; электронными регенераторами, оснащенными оптическими конверторами; электронными мультиплексорами с доступом к определенному числу каналов; оптическими усилителями, служащими для ретрансляции оптических сигналов, оптическими мультиплексорами с формированием доступа к отдельным оптическим каналам. В состав мультиплексоров промежуточных станций могут входить электрические и оптические кроссовые коммутаторы.

Цифровые оптические системы передачи, снабжены средствами телеконтроля и управления, что позволяет контролировать работу всех компонентов системы передачи и быстро ликвидировать аварийные состояния. Электрические и оптические секции мультиплексирования и регенерации определяются как участки системы передачи с отдельным встроенным контролем и управлением.

Физические среды оптических систем передачи могут быть представлены стекловолокном, пластиковым волокном. Благодаря очень малым потерям оптической мощности и малым искажениям сигналов основное применение в системах передачи получили стеклянные волоконные световоды.

Рассмотрим принципы построения оптической системы передачи и транспортных сетей. Общая структура аппаратуры на примере оборудования SDH транспортных сетей представлена на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Общая структура аппаратуры транспортной сети

В этой структуре предусмотрены:

агрегатные (линейные) интерфейсы, в которых определены характеристики оптических передатчиков и приемников;

функции подстройки указателей TU и AU, мультиплексирование/ демультиплексирование стандартных блоков в STM-N для аппаратуры SDH;

кроссовые компоненты для переключений электрических и оптических трактов с целью реализации транзита в узлах, выделения и ввода цифровых потоков и волновых каналов, защитных переключений в соединениях и т.д.;

канальные (пользовательские) интерфейсы, предоставляемые для загрузки/выгрузки цифровых данных различным пользователям транспортной сети (электронные АТС, коммутаторы Ethernet и т.д.);

локальное и сетевое управление с поддержкой функций интерфейсов F (RS-232) и Q (G.773), каналов передачи данных управления и протокольных наполнений;

тактовая сетевая синхронизация с возможностью программирования приоритетов выбора синхросигналов и портов их ввода;

сигнализация обслуживания для световой и звуковой индикации аномальных состояний в оборудование, на стойке в ряде и т.д.;

электропитание аппаратуры, осуществляемое от источников питающих напряжений 48 В и 60 В.

Ряд устройств аппаратуры могут дублироваться с целью повышения надежности. Обязательное резервирование обеспечивается кроссовым коммутаторам (100% -- резерв, обозначаемый 1+1 или 1:1), устройствам тактовой синхронизации. Частичное резервирование для пользовательских интерфейсов осуществляется, например, в режиме 1:2, 1:3, 1:4 и т.д., т.е. на несколько физических окончаний одно резервное. Резервирование предполагает автоматическое переключение за время не более 50 мс, что сохраняет в большинстве случаев установленные соединения в сети.

1.2 Модели оптических транспортных сетей

Учитывая динамичный рост потребностей в передаче информации, возрастание требований по качеству передачи, защищенности и управляемости соединений, МСЭ-Т разрабатывает и совершенствует стандарты на передачу информации в оптических системах. Одним из основных направлений деятельности МСЭ-Т стало принятие концепции построения транспортных сетей, опубликованной в виде Рекомендации G.805, и разработки моделей транспортных сетей, базирующихся на волоконно-оптических системах передачи. При этом основная роль отводится волоконно-оптическим системам. Описание моделей транспортных сетей, технологических схем мультиплексирования, интерфейсов, оборудования, управления, синхронизации и т.д. приводится в большом пакете рекомендаций МСЭ-Т серий G, Y, I, X и т.д. Эти рекомендации используются производителями оборудования и сетевыми операторами при проектировании, запуске и эксплуатации транспортных сетей.

В настоящее время транспортные сети строятся в соответствии с моделями (Рис. 1.4) .

Рис. 1.4. Модели транспортных сетей связи, определенные МСЭ-Т

Сигналы, передаваемые через физическую среду модели сети SDH, представляют собой циклы длительностью 125 мкс. называемые синхронными транспортными модулями STM-N (Synchronous Transport Module) порядка N=0, 1, 4, 16, 64, 256. Порядок характеризует иерархический уровень и соответствующий скоростной режим передачи.

Уровень трактов сети SDH подразделён на два подуровня -- высокий и низкий -- стандартно обозначаемых в технической литературе: HOVC (Higher Order Virtual Container) -- виртуальный контейнер верхнего уровня, и LOVC (Lower Order Virtual Container) -- виртуальный контейнер нижнего уровня. Виртуальные контейнеры высокого и низкого уровней представляют собой циклические цифровые ёмкости, предоставляемые под загрузку информационными данными с подходящими скоростями. Виртуальные контейнеры низкого уровня могут объединяться для размещения в виртуальные контейнеры высокого уровня. Понятие «виртуальность» этим цифровым блокам присвоено из-за специальных данных, называемых заголовками которых приписывается уникальный маршрутный идентификатор для адресного переноса каждого контейнера через транспортную сеть от источника информации до получателя; ведется контроль качества передачи «из конца в конец» или отдельным участкам маршрута; вставляются сообщения о необходимости защитных переключений; вставляются сообщения о виде информационных данных; поддерживается служебная связь и т.д. Благодаря непрерывной циклической передаче виртуальных контейнеров может поддерживаться однонаправленное и двунаправленное транспортное соединение -- тракт или маршрут, рассчитываемое на различную пропускную способность в интересах потребителей транспортных услуг. Эти соединения могут проходить через разлинные системы передачи SDH различными иерархическими уровнями STM-N.

Уровень каналов сети SDH обеспечивает интерфейсы для пользователей транспортной сети. Учитывая, что транспортная сеть SDH является частью первичной сети связи, на уровне каналов производится согласование с вторичными сетями (пользователями), например, с телефонными сетями через потоки цифровых данных 2,048 Мбит/с (El), с сетями Ethernet на скоростях передачи 10, 100 и 1000 Мбит/с, через сцепки виртуальных контейнеров и протоколы согласования.

Все процедуры формирования цифровых блоков SDH происходят с использованием единого высокостабильного тактового механизма -- тактовой сетевой синхронизации (ТСС). Создание и поддержка всех соединений в сети SDH и контроль всех функций обеспечиваются системой управления, имеющей сеть выделенных каналов связи и средства протокольного взаимодействия через эти каналы.

Модель транспортной сети OTN-OTH представлена двумя самостоятельными по своей организации уровнями: сети ОTN и пользователя.

Уровень сети OTN состоит из трёх физически и логически связанных подуровней: среды передачи сигналов с разделением по длине воины (WDM); оптических секций ретрансляции OTS (Optical Transmission Section) и мультиплексирования OMS (Optical Multiplex Section); оптических каналов OCh (Optical Channel) с нагрузкой в виде оптических транспортных блоков OTUk (Optical Transport Unit-k) с включением в них блоков данных оптических каналов ODUk (Optical channel Data Unit-k), которые, в свою очередь, включают блоки полезной нагрузки оптических каналов OPUk (Optical Channel Payload Unit-k). Индекс k соответствует иерархической ступени ОТН (k - 1.2,3) и указывает на различные по длительности, ёмкости и скорости передачи циклы. Оптические секции базируются на ресурсах одномодовых волоконных световодов со стандартными характеристиками и огромной полосой частот передачи, которая достигает примерно 30...60 ТГц в диапазоне волн 1260... 1675 нм для различных типов волокон. Этот диапазон используется в режиме WDM с числом волновых каналов 2...4 OCh до нескольких сотен ОСЬ, объединяемых в оптические волновые (транспортные) модули ОТМ (Optical Transport Module) ёмкостью до 16 OCh в каждом. Таким образом, среда передачи в этой модели транспортной сети позволяет достигать скоростей передачи порядка 10 и более Тбит/с при скорости передачи в каждом из волновых каналов от 2,5 до 40 Гбит/с, а в перспективе 120 Гбит/с.

Оптические секции ретрансляции OTS организуются внутри оптической секции мультиплексирования OMS для компенсации потерь оптической мощности в стекловолокне и компенсации дисперсионных искажений. Эти функции обеспечивают линейные оптические примусные волоконные усилители с эквалайзерами, романовские оптические усилители и компенсаторы хроматической и поляризационной дисперсии, а в перспективе полностью оптические регенераторы 2R и 3R.

В оптической секции мультиплексирования формируются, передаются, обслуживаются и расформировываются отдельные оптические каналы, оптические волновые модули ОТМ с числом каналов до 16 группы оптических модулей. Каждый оптический модуль может иметь отдельный оптический сервисный канал, в который включаются служебные данные для каждого OCh. Кроме того, в секции оптического мультиплексирования создаётся сервисный оптический канал для обслуживания всей секции и отдельных участков -- секций ретрансляции OTS. Секция OMS может иметь гарантированную защиту благодаря дублированию передачи в альтернативной кабельной линии с соответствующими секциями ретрансляции. Нормированное время защитного переключения составляет 50 мс. Различают следующие моделы:

- транспортная сеть SDH, рекомендации G.707, G.783. G.803 и др;

- транспортная сеть OTN-OTH (Optical Transport Network -- Optical Transport Hierarchy, оптическая транспортная сеть -- оптическая транспортная иерархия), рекомендации МСЭ-Т G.709, G.798, G.872 и др:

- транспортная сеть Ethernet, рекомендации G.8010, G.8011, G.8012. Указанные модели имеют общие черты: иерархическое уровневое построение,

где каждый уровень имеет самостоятельный и независимый от других уровней набор функций; наличие физического уровня, представляемого системой передачи с организацией секций; образование трактов (маршрутов) физического и виртуального характеров; уровни взаимодействия с пользователем транспортной сети.

Модельное уровневое построение транспортных сетей чёткое представление об аппаратных, алгоритмических и сетевых возможностях по организации взаимодействий при передаче информации, т.е. о транспортной технологии, например, поперечной совместимости оборудования различных производителей и оборудования различных стандартов мультиплексирования транспортных сетей.

Рассмотрим указанные модели транспортной сети подробнее. Модель транспортной сети SDH представлена тремя самостоятельными по своей организации уровнями: среды передачи, трактов, каналов.

Уровень среды передачи базируется преимущественно на оптоволоконных линиях (среда передачи), в которые создаются секции регенерации цифровых линейных сигналов и секции мультиплексирования цифровых данных.

Среда передачи содержит: волоконные cветоводы в конструкциях различных кабелей; электрооптические преобразователи на передаче и оптоэлектронные преобразователи на приеме; оптические усилители, оптические аттенюаторы и компенсаторы дисперсии; разъёмные и неразъёмные оптические соединители; линейные кодеры и декодеры; оптические модуляторы и оптические детекторы.

Секцией мультиплексирования начинается и заканчивается участок волоконно-оптической системы передачи. Секция мультиплексирования может содержать от одного до нескольких участков -- секций регенерации, которые необходимы для устранения искажений линейных импульсных сигналов и восстановления их формы и мощности. Секции регенератии и мультиплексирования являются предметом технической эксплуатации. Для этого в рамках стандартизации SDH предусмотрены служебные сообщения по контролю качества передачи по битовым ошибкам, служебная связь, каналы управления и синхронизации. Секция мультиплексирования вместе с входящими в неё секциями регенерации может дублироваться с целью гарантированной защиты от повреждений.

Модель транспортной сети Ethernet.

Модель транспортной сети Ethernet состоит из двух уровней: уровень среды передачи кадров Ethernet и формирования кадров (пакетов) Ethernet.

Уровень среды передачи сети Ethernet может быть реализован на базе волоконных световодов и атмосферных оптических каналов с использованием соответствующих конверторов сигналов (приёмопередатчиков), что характерно для локальных и городских сетей связи и это наиболее экономичное решение относительно других моделей транспортных сетей. При организации связи на большие расстояния (например, более 100 км) уровень среды передачи может быть представлен транспортными сетями SDH, OTN или их сочетанием и использованием плезиохронной передачи PDH. В этом случае решение по транспортной сети не отличается от других моделей дешевизной. В этой модели, как и других на уровне среды передачи поддерживается тактовый и при необходимости цикловой синхронизм. Также возможна реализация функций защитных переключений на резервную среду передачи за интервал времени до 50 мс.

Уровень формирования кадров (пакетов) Ethernet состоит из двух подуровней: управления логическим каналом LLC (Logical Link Control) и управления доступом к среде передачи MAC (Medium Access Control). Эти подуровни протокольные, их функции предписаны определенными алгоритмами для процессоров, которые формируют кадры с информационными данными и служебными сообщениям.

Логическим развитием модели транспортной сети Ethernet стала модель транспортной сети с пакетной передачей и коммутацией по меткам T-MPLS (Transport Multi-Protocol Label Switching -- транспортная многопротокольная коммутация по меткам).

Разработка этой модели нацелена на повышение эффективности использования ресурсов магистральных и внутризоновых оптических транспортных сетей с технологиями циклической цифровой передачи: PDH, SDH и ОТН. Кроме того, для местных и локальных сетей, где преобладает использование передачи Ethernet на скоростях 100, 1000 и 10000 Мбит/с, применение протокола T-MPLS позволит внедрить широкий спектр услуг по передаче речи (IP-телефония), видеоизображение (IPTV-телевидение) и Интернет.

Оптический канал OCh в оптической сети выполняет при терминировании функции регенерации цифрового сигнала типа 1R т.е. восстанавливает амплитуду импульсов (1R) их форму (2R) и устраняет накопленные фазовые дрожания (3R) (рис. 1.5). Также производится оптическая модуляция и детектирование, контроль качества передачи цифровых данных в блоках OTUk и ODUk и т.д.

Рис. 1.5. Принцип 3R регенерации в транспондере OTH

Уровень пользователя оптической транспортной сети OTN-OTH выполняет функции интерфейса между транспортной сетью и сетями пользователей транспортных услуг, к которым относятся сети SDH. ATM, Ethernet и др. Для эффективного согласования между сетями применяются различные протокольные решения по размещению данных пользователей в оптических каналах. Протоколы позволяют согласовать циклическую передачу данных в оптических каналах со случайной во времени передачей пакетов данных различной емкости от пользователей, например, пакеты IP, MPLS или Ethernet.

1.3 Методы контроля технического состояние волоконно-оптических сетей и систем, сетей телекоммуникации и постановка задач исследования

Интенсивное развитие современных телекоммуникационных сетей выдвигает на первый план задачу централизованного контроля разнообразного оборудования, каналов и трактов. Для контроля качества услуг, предоставляемых операторами телекоммуникационных сетей (ТКС), основополагающим является установление соответствия параметров сети регламентирующим значениям.

В обеспечении требуемого уровня качества функционирования и надежности TKC особая роль принадлежит процедурам измерения, анализа, тестирования, мониторинга, контроля и диагностирования. Данные процедуры необходимо рассматривать с единых позиций сквозного контроля в телекоммуникациях [1].

Одним из широко используемых при сквозном контроле в телекоммуникациях является понятие "Измерение", которое подразумевает нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств, хранящих в явном или неявном виде единицу физической величины. Не менее распространенным является понятие "Анализ" -- это метод исследования, проводимый путем рассмотрения отдельных стадий, свойств и составных частей объекта или процесса (в том числе сигнала) с помощью специальных технических средств, осуществляющих измерения с последующей обработкой по определенному правилу результатов этих измерений. Процедуры измерения и анализа предназначены для установления неизвестных значений физических величин и их параметров.

Под тестированием понимают установление опытным путем соответствия состояния и свойств объекта или процесса, находящегося под воздействием строго определенной физической величины или величин, заданной норме. Наряду с тестированием в последнее время все чаще используется понятие "Мониторинг". Мониторинг -- это распределенный в пространстве система тестирования, анализа и измерения с централизованным получением результатов.

Близкими, но не эквивалентными тестированию и мониторингу, являются диагностирование и контроль, представляющие собой процесс установления соответствия состояний и свойств объекта или процесса заданной норме путем восприятия физических величин, сопоставления их с предварительно установленными значениями или совокупностями значений (масками) и последующим формированием суждения -- вывода. Иными словами, диагностированию и контролю подвергаются объекты ТКС или параметры процесса с получением результата, являющегося их качественной характеристикой, в виде вывода о нахождении объекта или процесса в норме или вне нормы. При контроле должен быть получен ответ на вопрос, соответствует контролируемый объект или процесс требуемой норме, а при диагностировании должен быть сформулирован вывод о месте и причине несоответствия. По результатам долгосрочного контроля и диагностирования можно сформулировать заключение о предстоящем развитии или исходе протекающих в объекте процессов, т. е. осуществить прогнозирование, например возможных нарушений передачи, или определить направление дальнейшего развития объекта, ТКС в смысле его усовершенствования.

Таким образом, используя сквозной контроль в ТКС, можно представить математическую модель контроля сети, что позволяет, выбрать соответствующие методы контроля характеристик сети, измерительные приборы, точки контроля и контролируемые параметры.

С учетом изложенного выше математическая модель контроля и диагностирования элементов телекоммуникационных сетей может быть представлена в следующем виде:

?= (N, PN, YN, M, Sp, SK, K0D, T), (1.1)

где N-- множество контролируемых объектов; PN -- множество точек контроля в ТКС; YN--множество параметров контроля и допусков на них в ТКС; М - множество методик контроля и измерения в ТКС; SP -- множество стандартов, определяющих нормы на параметры; SK -- множество средств контроля и измерения; KOD --множество каналов обмена данными между объектами контроля и средствами контроля; Т -- опорные моменты времени, в которых производится контроль данного объекта ТКС.

Система мониторинга осуществляет контроля функционирования сети и если в ходе контроля ТКС обнаружена неисправность какого-либо элемента то сеть реконфигурируется; данный элемент выводится из режима функционирования.

Система технического диагностирования включает три основных элемента: объект диагностирования, средства технического диагностирования и человека-оператора. Так, на состояние цифровой системы передачи (ЦСП) влияют техническое состояние ее оборудования, состояние среды распространения и объем обслуживаемой информационной нагрузки. Кроме того, в состав оборудования ЦСП входит не только аппаратная часть, но и целый комплекс программного обеспечения, определяющего режимы работы аппаратуры и выполняемые ею функции. Необходимо рассматривать не только алгоритмы и методы, применяемые для определения технического состояния, но и способы их реализации с учетом специфики объекта и воздействующих на него факторов.

Процесс контроля в общем случае представляет собой подачу на объект определенных воздействий (входных сигналов) и многократное измерение и анализ ответных реакций (выходных сигналов) объекта на эти воздействия. Воздействия на объект поступают от средств контроля, либо являются внешними, по отношению к системе контроля, сигналами, определенными рабочим алгоритмом функционирования объекта.

Классификация методов диагностирования ЦСП представлена на рис. 1.6

Рис. 1.6. Классификации методов диагностирования ЦСП

В первом случае воздействия называются тестовыми (стимулирующими), а во втором -- рабочими (контроль при этих воздействиях называют соответственно тестовым и функциональным).

Тестовые воздействия могут подаваться как в процессе проверки объекта, когда он не используется по назначению, так и при выполнении им своих рабочих функций. Во втором случае тестовыми воздействиями могут быть лишь сигналы, которые не нарушают нормальную работу объекта.

Тестовые воздействия могут подаваться как на основные входы объекта, так и на дополнительные, предусмотренные специально для контроля. Рабочие воздействия поступают только на основные входы объекта.

Весь спектр контрольных измерение в ВОСП делятся на два типа: системные и эксплуатационные. Для обеспечения работоспособности и соответствия параметров ВОСП установленным нормам посредством системы мониторинга необходимо проводить множество системных и эксплуатационных измерений, которые отличаются методиками и используемыми средствами измерений.

На рис 1.7 приведена общая классификация видов контроля, измерений и тестирования в электросвязи, а на рис. 1.8 классификация измерений в ВОСП. из которых видно, что для контроля большого количества различных параметров ТКС и ее элементов необходимо использовать разнородные средства контроля (специализированные системы контроля, автономные средства контроля), отличающиеся как принципами построения, так и функциональными возможностями.

Общий принципы построения СМ удовлетворяющие необходимым требованиям приведены в рекомендации МСЭ-Т Т .434. Система создаст контрольные (тестовые) цифровые последовательности и состоит из общесетевого контроллера и тестовых модулей устанавливаемых на каждый станции сети (рис.1.9). Контроллер определяет график тестирования и управляет запуском тестов в тестовых модулях.



Рис. 1.7 Классификация и виды контроля, измерение и тестирования в электросвязи



Рис. 1.8. Классификация измерение в ВОСП

Рис. 1.9. Архитектура системы измерение качества услуг «от абонента до абонента»

В данной магистерской диссертации рассматривается методы мониторинга показателей качества функционирования ВОСП и сетей базирующихся на системных измерениях, а именно частоты битовых ошибок.

Системные измерение включают измерение непрерывности волокна, частоты битовых ошибок, чувствительности и глазковой диаграммы. В настоящее время наиболее распространенным прибором является оптический рефлектометр, который позволяет обнаруживать наличие и местоположение разрывов волокно. Широко используемым прибором является так же BER анализатор позволяющий определить другую важную характеристику системы с точки зрения ее функционирования - скорость битовых ошибок (BER) - количество ложных битов относительно общего количества переданных битов. Более детальные измерение, как правило, проводятся во время проектирования и инсталляции системы. На этих этапах важным становится вопрос чувствительности, представляющей наименьший уровень мощности, который приводит к необходимому значению BER, что также измеряется при помощи BER - анализатора. Для уменьшения уровня передаваемой мощности до тех пор, пока скорость ошибок не превысит заранее определенного значение пользуется оптическим аттенюаторов. Еще более специфическим является измерение глазковой диаграммы, для чего передатчик модулируется с псевдослучайной последовательностью, а полученный сигнал отображается на осциллографе с использованием системного генератора для его запуска. В этом случае на экране отображается большое количество различных диаграмм, которые позволяют приблизительно определить системные параметры (джиттер, отношение сигнал/шум и межсимвольная интерференция).

Для осуществления контроля системных характеристик ВОСП и ТКС в СМ необходимо использовать системное оборудование имеющие широкие возможности интеграции в измерительно-информационные комплексы как часть автоматизированных системы управления сетью TMN. К системному оборудованию СМ предоставляются следующие требования: функциональность тестов, возможность интеграции в системе, быстрота и легкость модернизации, удобство эксплуатации, надежность, стоимость, портативность.

Функциональность обеспечивается тем, что спецификация тестов должна удовлетворять существующим и перспективным стандартам и методологиям.

На основании выше проведенного предварительного анализа методов контроля телекоммуникационных систем и сетей в данной работе поставлена цель проанализировать методы мониторинга показателей качество функционирования волоконно-оптических систем и транспортной сети телекоммуникации. В качестве основного показателя контролируемого мониторингом выбрано частота битовых ошибок. Базирующихся на системных измерениям объектом исследования является ВОСП и ВОТС в которых используется технологии SDH и WDM, т.е. ВОСП с мультиплексированием по длине волны (спектральное уплотнение).

Предметом исследования является показатели качество функционирования ВОТС и методологические аспекты построения системы мониторинга.

Для достижения поставленной цели в работе ставятся следующие задачи:

1. Анализ построения объектов мониторинг - волоконно-оптические системы передачи (ВОСП) и волоконно-оптические транспортное сети (ВОТС) базирующие на использовании современной технологии передачи.

2. Рассмотреть модели оптических транспортных сетей.

3. Анализ методов контроля технического состояния объектов телекоммуникации, классификации видов контроля, диагностирования тестирования и измерения параметров функционирования ВОСП и ВОСТ.

4. Исследовать методологические аспекты построения системы мониторинга волоконно-оптических сетей телекоммуникации на основе анализа факторов влияющих на механизм распространения светового сигнала и изменения мощности оптического сигнала в ВОЛТ.

5. Исследование задачи повышения оперативности и методической достоверности контроля функционирования линейных трактов ВОСП с мультиплексированием по длине волны (МДВ) и с волоконно-оптическими усилителями (ВОУ) посредством построения системы непрерывного контроля ВОСП.

6. Сформулировать основные аспекты построения информационно - измерительной системы для мониторинга ВОСП и ВОТС.

7. Провести исследование мониторинга системного показателя качества функционирования ВОСП и ВОТС показателя ошибок для чего провести анализ их типов и источников возникновения ошибок методы оценки показателей ошибок на основе BER и процедур расчёта показателей ошибка на основе ES и SES.

8. Рассмотреть методы мониторинга средств передачи пассивных и активных элементов и тестирования BER в ВОСП и ВОТС.

9. Исследовать отдельные аспекты построение системы мониторинга несанкционированного доступе к ВОЛС на базе использование в качества основного измерительного средства оптический рефлектометр, а также вопросы энергетической оценки мониторинга несанкционированного доступа.

1. Методы мониторинга показателей качества функционирование телекоммуникации зависит от структуры построение ВОСП и волоконно-оптической транспортны сети ВОТС и используемых при этом технологий передачи.

2. Рассмотренные системам сетей телекоммуникации и их модели характеристика и технического состояния ВОСП и сети телекоммуникации является научно-методологической базой для построения систем мониторинга, что показывают актуальность темы магистерской диссертации параметры функционирование является объектом мониторинговою контроля.

3. Изложенные методы контроля диссертации.

4. Первостепенная задача системы мониторинга контроль системных показателей функционирование ВОСП и ВОТС, в том числе показателей битовых ошибок.

2. Мониторинговый контроль системных показателей качества функционирования ВОСП и ВОТС

2.1 Методологические аспекты построения системы мониторинга волоконно-оптических сетей телекоммуникаций

Интенсивное развитие ВОСП и их эксплуатация диктуют необходимость устранения неисправностей, прогнозирования деградации и обнаружения фактов несанкционированного доступа, контроля состояния линейного тракта и обеспечение эффективного функционирования сети. Решение таких задач можно осуществить системами мониторинга элементов ВОСП и сети в целом, которые представляют собой распределенные по сети контрольно - измерительные средства, программное обеспечение для анализа результатов непрерывного контроля и привязки этих результатов к схеме сети, а также базу данных по результатам контроля. Задача рационального построения СМ для волоконно-оптические систем передачи и сетей является актуальной.

В основе работы СМ положены методы диагностирования объектов телекоммуникаций, а технические средства мониторинга обычно представлены коммутатором тестируемых волокно и оптическим импульсным рефлектометром, осуществляющим тестирование волокна. Производится тестирование резервного и рабочего ОВ, для чего используется длина волны, отличная от той, что используется для передачи данных. На приемной стороне производится разделение этих длин волн. Это метод можно использовать для всех волокон контролируемого ОВ. Результаты тестирования анализируются с помощью специализированного ПО, определяются отклонения от установленных пределов, фиксируются факты нарушения качества ВОСП, а накопленная статистика позволяет определить степень возможной деградации ОВ.

Указанный метод мониторинга ВОСП реализован в ряде систем мониторинга таких компаний, как Acterna, Agilent, EXPO и Nettest.

Основные задачи технического мониторинга ВОСП заключаются:

- установления соответствие параметров ВОСП регламентируемым нормам;

- повышение достоверность и скорость контроля данных параметров;

- сокрашение времени локализации и идентификации отклонений параметров ВОСП по сравнению с традиционным способом контроля системы;

- привязка обнаружения особенности к схеме ВОСП и географической карте, что существенно упрощает ее обслуживание;

- выявление фактов механических воздействий на ОК и несанкционированного доступа;

- прогнозировать возможность возникновения неисправности в сети, за счет систематического накопления и анализа результатов контроля;

- проведение испытание кабелей в сети одним квалифицированным специалистом, что повышает эффективность обслуживания большой сетевой зоны;

- сокрашение парк и унификации оборудование, необходимого для обслуживания участков сети.

Данная совокупность задач может быть эффективно решена при наличии в системе мониторинга возможности формирования топологии и оптимизации архитектуры сети мониторинга, что требует математического моделирования ВОСП и использования передовых методов тестирования, обработки и анализ полученных результатов.

Основным факторами, определяющими являются: архитектура, топология и возможность будущего развития сети; параметры ВОСП; структура администрирования сети; используемые виды связи.

Для адаптации СМ к многочисленным конфигурациям ВОСП и телекоммуникационной сети, необходимо определить контролируемые параметры, оптимизировать архитектуру сети мониторинга и определить способы организации связи между компонентами СМ по различным каналам. Которые могут быть организованы по телефонной сети общего пользования, через сеть Х.25 по интерфейсному протоколу V.11, через WAN/LAN сеть посредством протокола TCP/IP. Широкий выбор каналов связи придает большую гибкость возможным техническим решениям.

Рассмотренные особенности СМ позволяют дистанционно управлять тестированием ВОСП, а также функциями моделирования, оптимизации, картографирования, администрирования и документирования сети.

Благодаря расширенным возможностям анализа рефлектограмм и ее особенностей выполняется высокоточное измерение затухания, потерь, отражений как в автоматическом, так и в полуавтоматическом и ручном режимах.

Возможность идентификации событий по заданным маскам обеспечивает локализацию отклонений параметров потерь и отражений, возникновения признака конца или обрыва волокна с очень высокой достоверностью. Результаты измерений могут быть представлены как графическом так и в табулированном виде.

Наличие в СМ функции визуализации местоположения отклонений параметров ОВ позволяет устанавливать соответствие расстояния между маркерами на географической карте с расстоянием измеренным оптическим способом, облегчая локализацию неисправностей.

Методология мониторинга определяется этапом ввода СМ в ВОСП телекомуникационное сети. Так, в процессе строительства сети бригада выполняющая работы в соответствии с заданными требованиям может использовать портативный компьютер, подключаемый к СМ через сеть Интернет. В этом случае пользователь входит в базу данных текущего участка, а затем проверяет и утверждает работу перед построением следующего участка сети, используя в качестве маркера для привязки географических и оптических расстояний временной конца волокна. При этом производится дистанционный контроль монтажа кабеля, определение качества сварных соединений, создание документации, централизованное ведение документации и процедур контроля, фиксация оптической дистанции с привязкой к местности.

В процессе эксплуатации ВОСП для СМ задаются:

1. Условия выполнения процедуры мониторинга:

Немедленно, периодически или по заданной во времени программе, в момент, когда происходит тревога;

2. Условия обнаружения нарушений в ходе следующих процессов:

контроля точек на сети связи; ручного измерения с использованием курсоров; определения составляющих потерь и порога отражения; автоматического измерения с использованием масок; фиксации изменения интересующих параметров;

3. Режимы выполняемых действий: визуализации, сохранения, восстановления при тревоге.

На этапе наблюдения происходит автоматическое обнаружение нарушений в следующей последовательности: снятие рефлектограммы, задание установок и критериев сравнения, обнаружение и локализация нарушений.

Когда обнаруживается отклонение параметров ВОСП, происходит передача сообщений с детальной информацией о результатах идентификации и локализации отклонений с учетом параметров оптических компонентов и топологических идентификаторов.

При техническом обслуживании выполняется регулярное автоматическое накопление в базе данных характеристик и результатов измерений ВОСП (ослабления, потерь, отражений, рефлектограмм и др.), что позволяет:

- идентифицировать и устранять нарушения до выхода на линию бригады обслуживания;

- контролировать качество ОК;

- проводить вычисления по нескольким индикаторам качества; устанавливать статус сети.

Каждая из рассмотренных процедур имеет свой уровень приоритета, который может быть изменен. Изначально наивысший приоритет устанавливается для процедуры измерений. Администратор системы может устанавливать приоритеты для каждого пользователя и определять группы несанкционированных пользователей.

СМ может управлять также сигнализацией нарушений посредством функций: активации критериев обнаружения отклонений; передачи сообщений системе управления или другому адресату; архивирования и удаления данных сигнализации.

В результате, имея накопленные данные и набор инструментов для их анализа, пользователь может отслеживать развитие индикаторов качества, анализировать общую тенденцию и разработать политику обслуживания сети. Результаты измерений и другие данные могут быть представлены в виде твердых копий.

СМ классифицируется по основным признаком:

- по степени охвата (локальные, общие);

- по характеру взаимодействия между объектом контроля и СМ (функциональные, тестовые);

- по используемые средствам технического диагностирование (универсальные, специализированные, с внешними и встроенными средствами); по степени автоматизации СМ (автоматические, автоматизированные) ручнее.

Показатели СМ используются для оценки состояния ВОСП посредством его диагностирования. К основным показателя относятся: вероятность ошибки диагностирования, контроле пригодность выражаемые через коэффициенты полной проверки, глубины поиска, длины теста диагностирования и других показателей.

Ключевым компонентом СМ является информационное измерительная система.

Использование СМ обеспечивает оптимальное, решение задач автоматического обнаружения, локализации и индикации на географической карте отклонений характеристик ВОСП и позволяет выявлять факты несанкционированного доступа в сеть, минимизировать время устранения нарушений и прогнозировать возможные нарушения в будущем. СМ становится определяющим фактором и решает актуальную задачу современных систем телекоммуникаций по обеспечению эффективности функционирования сети телекоммуникаций.

Изложенные методологические аспекты построения системы мониторинга волоконно-оптические систем и сетей телекоммуникаций используются при исследованиях проводимых в данной магистерской диссертации.

2.2 Особенности непрерывного контроля волоконно-оптического линейного тракта на основые системы мониторинга

Анализ факторов - влияющих на изменение мощности оптического сигнала в ВОЛТ.

Известно, что оптическое волокно как составной элемент оптического кабеля представляет собой волноводную структуру, в которой оптическое излучение распространяется по закону полного внутреннего отражения. Принимая это во внимание, можно выделить следующие группы факторов, влияющих на механизм распространения световой ЭМВ и изменение мощности оптического сигнала в волоконно-оптическом линейном тракте:

- группа факторов естественного происхождения;

- группа факторов, создаваемых искусственно (специально, в том числе НСД).

К первой группе факторов, в частности, относятся такие, как изменение:

- параметров активных компонентов ВОЛТ (источника излучения, ВОУ и т. д.);

- показателя преломления сердцевины (прозрачности) в случае намокания оптоволокна;

- показателя преломления сердцевины (прозрачности) за счет изменения температуры окружающей среды;