Анализ методов мониторинга показателей качества функционирования волоконно-оптической транспортной сети

- показателя преломления сердцевины (прозрачности) за счет деформации при растяжении.

Ко второй группе факторов можно отнести следующие нарушения полного внутреннего отражения в ОВ за счет:

- механического воздействия (изгиб волокна) -- ситуация, при которой происходит нарушение полного внутреннего отражения и часть светового потока который выходит из ОВ;

- оптического туннелирования света;

- специально напыляемых покрытий и оптических смазок;

- воздействия стационарных электромагнитных полей;

- воздействия акустических (звуковых) волн;

- локального сдавливания ОВ вызывающего неконтролируемое рассеяние света;

- изменения показателя преломления сердцевины (прозрачности) в случае возможного воздействия на ОВ соответствующих доз ионизирующих излучений.

Исследования [1-2] показали, что во всех указанных случаях происходит изменение передаваемой по ОВ оптической мощности и существует принципиальная возможность сбоев в работе оборудования, снижение качества обслуживания пользователей, потери значительного объема передаваемой информации, объема информации путем НСД, что крайне нежелательно, а применительно к волоконно-оптическим сетям вообще недопустимо.

При детальном рассмотрении каждого из факторов можно выделить ряд существенных и характерных признаков, которые позволяют однозначно классифицировать тот или иной сбой в работе аппаратуры или определенное деструктивное воздействие. Наиболее значимыми в этом смысле являются статистические параметры передаваемого оптического сигнала. Покажем справедливость сказанного выше.

Согласно квантовой теории энергия оптического сигнала поглощается приемником квантами величиной hf. Применительно к системам с аналоговой модуляцией интенсивности качество приема в них определяется как значением переменной составляющей модулированной интенсивности J(t), так и постоянной составляющей J0 -- квантовым шумом.

В оптическом сигнале с детерминированной интенсивностью J(t) число фотонов n на тактовом интервале (0, Т) распределено по закону Пуассона

(2.1)

с математическим ожиданием , равным интегралу

(2.2)

и дисперсией .

В связи с этим переходят к представлению сигнала потоком фотонов с изменяющейся интенсивностью:

J(t) = P(t)/hf, (2.3)

где P(t) -- мощность излучения.

Это закономерно в том случае, когда поле оптического сигнала имеет случайную амплитуду.

A(t), а интенсивность J(t) (t) флуктуирует. Значение интеграла в выражении (2.4) также будет носить случайный характер с распределением по некоторому закону w(m), определяемому характером флуктуации интенсивности. В результате число фотонов на тактовом интервале (0, T) определяется как среднее значение т, равное интегралу от математического ожидания интенсивности потока фотонов, с помощью выражения

= = (2.4)

Дисперсия, характеризующая уровень квантового шума сигнала, увеличивается ().

Изменяется также закон распределения вероятностей числа фотонов p(n), который становится на Пуассоновским. Данный закон имеет вид

p(n)= (2.5)

где рп(п/т) -- распределение Пуассона [1].

Выражение (2.5) представляет собой целый класс распределений, называемых условно Пуассоновскими. Вид конкретного распределения зависит от характера флуктуации интенсивности и определяется видом распределения т. Важным свойством таких распределений является неизменность закона распределения при преобразовании потока фотонов в поток фотоэлектронов с вероятностью одиночных преобразований < I, называемой квантовым выходом. При таком преобразовании изменяется только среднее значение интенсивности оптического излучения, что эквивалентно уменьшению мощности оптического сигнала.

Другим полезным с практической точки зрения свойством является то. что дисперсия в условно-пуассоновских распределениях равна сумме дисперсии, определяемой по распределению w(m), и пуассоновской дисперсии при заданном среднем

= ; = (2.6)

Где - дисперсии флуктуаций интенсивности излучение на тактовом интервале (0,Т), выраженная в числе фотонов, а - квантовая дисперсия пуассоновского распределения.

Построение системы мониторинга волоконно-оптического линейного тракта.

Современные телекоммуникации развиваются блогадаря успехам в оптических технологиях передачи, распределения и оброботки информации. Волоконно-оптические системы передачи (ВОСП) являются основными транспортными элементами сетей связи. При внедрении мултиплексирования по длине волны (МДВ) и волоконно-оптических усилителей (ВОУ) плотность оптической энергии, вводимой в оптическое волокно(ОВ), значительно увеличивается. Существенно усложняются вопросы обеспечения эффективного фунционирования соответсвующих и сети телекоммуникации в целом ВОСП управление ее элементами, контроля состаяние линейного тракта, его защиты от несанкционированого доступа (НСД) базируюшие на создание, внедрении к эксплуатации соврименных мониторинговых систем. Практика показивает, что эти задачи не решены в полной мере,что показивает актуальность теми МД.

Внедрение МДВ и ВОУ сопровождается существенным усложнением задач контроля параметров и диагнотирования состояние волоконно-оптического линейного тракта (ВОЛТ). Это обусловлено, во-первых, однонаправленностью ВОЛТ с ВОУ, в которих нельзя использовать традиционные средсва рефлоктометрии [1-3]. Во-вторых, из-за увеличения (до 600 км) дольности элементарных кабельных участков потенциально возрастает время реакции системы управления ВОСП на факт повреждения ВОЛТ или НСД к нему.

Разработанный на сегодняшний день научно-методический аппарат контроля ВОСП основан на анализе электрического сигнала на выходе фотодетектора типовыми электроизмерительными средствами. Большинство имеющихся методик диагностики ВОЛТ не учитывают особенностей совместного применения средств МДВ и ВОУ. Методическая достоверность контроля ограничена влиянием шумов ВОУ и фотодетектирования. Кроме того, высокая производительность ВОСП с МДВ и ВОУ приводит к тому, что типовые средства АСУ (фон-неймановского типа) формируют суждения о состоянии контролируемых трактов недостаточно оперативно.

Из изложенного следует, что объективно существует актуальная и практически важная задача повышения оперативности и методической достоверности непрерывного контроля состояния функционирующих линейных трактов ВОСП с МДВ и ВОУ волоконно-оптических сетей связи. Перспективным направлением решения этой задачи может стать разработка и построение системы непрерывного контроля ВОСП на основе интеллектуальных средств обработки оптического сигнала. Непосредственное применение имеющихся достижений в телекоммуникациях невозможно без представления задач эксплуатации ВОСП в новом вычислительном базисе. Для этого, необходимо:

- обосновать комплекс первичных контролируемых параметров, с достаточной достоверностью описывающих состояние ВОЛТ;

- увязать значения этих характеристик с системными свойствами ВОСП (достоверностью передачи информации, пропускной способностью и пр.).

Проведенные исследования показали, что в качестве контролируемых параметров целесообразно использовать интенсивность оптического излучения, попадающего за один тактовый интервал на вход фотоприемного устройства (ФПУ). В этой связи немаловажную роль играют такие системные показатели, как достоверность и оперативность контроля.

Достоверность контроля (ДК) -- показатель, определяющий степень доверия к результатам контроля. При постановке задачи контроля в рамках теории проверки статистических гипотез достоверность контроля оценивается показателями вероятностей ошибок первого и второго рода. Ошибки первого рода а связаны с формированием системой контроля суждения об отказе реально работоспособного тракта. Ошибки второго рода состоят в принятии реально отказавшего тракта за работоспособносью.

Сложность прямой оценки данного показателя предопределила необходимость введения и отдельного рассмотрения характеристик методической и инструментальной ДК [1, 2].

В целом методическая ДК может быть охарактеризована вероятностями

; (2.7)

(2.8)

Инструментальные ошибки контроля определяются погрешностями измерений и могут быть представлены в виде

(2.9)

(2.10)

Здесь -мерная область работоспособного состояния тракта; n -- число контролируемых существенных параметров; -m-мерная аппроксимированная область работоспособного состояния тракта; m -- число контролируемых существенных параметров, m < n; ХT -- значения перечня контролируемых параметров; ХT -- результат измерения величины ХT

Таким образом, для обеспечения требуемых показателей ДК необходимо совершенствовать модель линейного тракта (ЛТ) ВОСП с МДВ и ВОУ как объекта контроля. Потери связанные с ошибками контроля первого рода определяются только затратами на восстановление ложно забракованного спектрального канала. Ошибки второго рода определяют вероятность предоставления неработоспособного оптического тракта под привилегированную нагрузку, что может привести к крайне нежелательным последствиям. Поэтому вероятность ошибки второго рода является нормируемой величиной ( *).

В связи с изложенным, выше задачу совершенствования системы мониторинга ВОЛТ с МДВ и ВОУ можно сформулировать как задачу оптимизации, целью которой является минимизация при фиксированном значении ( *):

а( *) - min. (2.11)

Под оперативностью контроля понимается его способность своевременно реагировать на все изменения в состоянии объекта контроля. Показателем оперативности контроля является время формирования суждения о состоянии объекта контроля. При заданных показателях ДК оперативность контроля определяется числом контролируемых параметров и вычислительной мощностью используемых средств и алгоритмов обработки информации [I, 6, 7]. В связи с этим необходимо отметить, что при переходе от одноволновых ВОСП к системам с МДВ и ВОУ недостаточно только кратного увеличения количества средств контроля. При сохранении производительности используемых средств АСУ оперативность получаемых суждений снижается кратно числу организуемых спектральных каналов. С учетом необходимости увеличения числа контролируемых параметров и ужесточения требований к точности их измерения оперативность результирующей системы контроля будет невысокой [2, 5].

Таким образом, организация непрерывного контроля системных параметров является сложной многофакторной задачей, требующей разработки адекватных моделей ЛТ исследуемых ВОСП как объекта контроля; совершенствования средств и методов измерения для повышения их точности и производительности.

В результате проведенных исследований предлагает вариант схемы непрерывного контроля ЛТ (рис. 2.1). На схеме показано, как часть оптического излучение посредством 1% - или - 5% ответвитель может быть доставлена в систему контроля, где реализуется его параллельная и обработка.

Система мониторинга представляет собой информационно - измерительную систему (ИИС), разработанную на основе методологии интеллектуального анализа данных и реализованную средствами нелинейной и интегральной оптики.



Рис. 2.1. Организация непрерывного контроля ВОЛТ применением ИИС, на основе параллельных методов сбора и обработки информации

Обучение ИИС проводиться при инсталляционных измерениях и испытаниях ВОСП в различных режимах ее функционирование. Например, для реализации НСД к функционирующему оптическому линейному тракта необходима согнуть оптическое волокно. В этом случае интенсивность оптического излучение, ответвленного в подсистему контроля падает с определенной скоростью. Обученная предварительно система выдает сигнал «Тревога» за время порядка 1,25 с. Это позволяет оперативно оповестить, а информационный тракт переключить на резервный тракт (для СЦИ время переключения не превышает 50 мс). Сигнал воздействия IB(t) того или иного дестабилизирующего фактора подается с выходе ИИС в систему управления (блок СУ), а затем с него в систему оперативного переключения (СОП). На аналогичных принципах ИИС может идентифицировать увлажнение, рост микротрещины, радиационное замутнение ОВ и прочие дестабилизирующие факторы.

Запил контролируемых состояний соответствует, например, совокупностей актуальных значений управляемых параметров объекта контроля или характеристики

Обученная ИИС в ходе контроля работоспособности может наблюдать вектор текущих параметров ВОСП, являющийся фрагментом вектора данных, запомненного ею в ходе обучения. Тогда задача ИИС будет состоять в восстановлении известного вектора данных по ключу -- его фрагменту. В случае, если измеренная в ходе контроля работоспособности совокупность параметров не совпадает ни с одной из известных ИИС, реализуется поиск вектора, ближайшему наблюдаемому в выбранной метрике.

Реализация предлагаемых научно-технических решений позволит автоматизировать непрерывный контроль линейных трактов ВОЛП любого состава, что существенно повысит их защищенность.

Аспекты построения ИИС для мониторинга ВОТС.

Назначение любой измерительной системы, ее необходимые функциональные возможности, технические параметры и характеристики в решающей степени определяются объектом исследования, для которого она создана. Структура современных ИС чрезвычайно разнообразна, быстро развивается и существенно зависит от решаемых задач, а их деление в настоящее время еще не имеет достаточно полного и четкого толкования.

В зависимости от выполняемых функций измерительные системы можно условно разделить на три основных вида:

- измерительные системы измерения и хранения информации;

- контрольно-измерительные (автоматического контроля);

- телеизмерительные системы.

К измерительным системам относят также системы распознавания образов и системы технической диагностики

По числу измерительных каналов измерительные системы подразделяются на одно-, двух-, трех- и многоканальные (многомерные). Для совместных и совокупных измерений часто используют многоканальные аппроксимирующие системы.

Наиболее бурно в настоящее время разрабатываются и внедряются ИС прямого назначения, основной особенностью которых является возможность программным способом перестраивать их для измерений различных физических величин и менять режим измерений. Изменений в аппаратной части при этом не требуется.

Измерительные системы прямого назначения условно делят на:

- информационно - измерительные системы (часто их называют термином измерительные информационные системы);

- измерительно-вычислительные комплексы (ИВК);

- виртуальные информационно-измерительные приборы (компьютерное измерительные системы -- КИС)

Рассмотрим информационно-измерительные системы.

Самым широким классом измерительных систем прямого назначения являются ИИС. Назначение ИИС определяют как целенаправленное оптимальной ведение измерительного процесса и обеспечение смежных систем высшего уровня достоверной информацией. Основные функции ИИС получать измерительной информации от объекта исследования, ее обработка, передача, представление информации оператору или компьютеру, запоминание, отображение и формирование управляющих воздействий.

Информационно - измерительная система должна: управлять измерительным процессом или экспериментом в соответствии с принятым критерием функционирования; выполнять возложенные на нее функции в соответствии с назначением и целью; обладать требуемыми показателями и характеристиками точности, помехоустойчивости, быстродействия, надежности, пропускной способности, адаптивности, сложности; отвечать экономическим требованиям, предъявляемым к способам и форме представления информации, размещения технических средств; быть приспособленной к функционированию с измерительными информационными системами смежных уровнен иерархии и другими ИИС.

Основной функцией ИИС, как и любой другой технической системы, является целенаправленное преобразование входной информации в выходную. Это преобразование выполняется либо автоматически с помощью аппаратуры техническою обеспечения, либо, совместно -- оперативным персоналом и аппаратурой технического обеспечения в сложных ИИС, ИВК

Применение современных средств цифровой схемотехники коренным образом изменило принципы построения ИИС. Кроме того, методы обоснованного распределения и направления информационных потоков дают возможность уменьшить их избыточность. Это позволяет ставить задачу о возможно максимальном переносе обработки измерительной информации к месту ее формирования, т. е. перейти к конвейерной обработке измерительной информации в распределенной МИС. В целом такая система состоит из следующих основных частей: системы первичных преобразователей (датчиков), устройств сбора и первичной обработки информации, средств вторичной обработки информации, устройств управления и контроля, устройств связи с другими системами объекта, накопителей информации.

По организации алгоритма функционирования различают следующие виды ИИС:

- с заранее заданным алгоритмом работы, правила функционирования которых не меняются, поэтому их можно использовать только для исследования объектов, работающих и постоянном режиме;

- программируемые, в которых изменяют алгоритм работы по заданной программе, составляемой в соответствии с условиями функционирования объекта исследования;

- адаптивные, алгоритм работы которых, а часто и структура изменяются, приспосабливаясь к изменениям измеряемых величин и условий работы объекта;

- интеллектуальные, обладающие способностью к перенастройке соответствии с изменяющимися условиями функционирования и способные выполнять все функции измерения и контроля в реальном масштабе времени.

Математическое программное и информационное обеспечение входит в состав лишь ИИС с вычислительными комплексами общая структура обеспечения ИИС представление на рис.2.2.

математическое обеспечение -- аналитические (математические) модели объекта исследования (измерения) и вычислительные алгоритмы.

В математическую модель объекта измерения входит описание взаимодействия между переменными входа к выходу, для установившегося и переходного состояний, т. е. модели статики и динамики, а также граничные условия и допустимое изменение переменных процесса. Форма записи математической модели может быть различна: алгебраические и трансцендентные уравнения, дифференциальные уравнения и уравнения в частных производных. Могут использоваться переходные и передаточные функции, частотные и спектральные характеристики и пр. Различают три основных метода получения математических моделей исследования ИИС: аналитический, экспериментальный и экспериментально-аналитический.



Рис. 2.2. Обшая структура обеспечения ИИС

В последние годы при создании большинства ИС наиболее часто используют математическое моделирование, реализующее цепочку: объект -- модель -- вычислительный алгоритм программа для компьютера --расчет на компьютере -- анализ результатов расчета управление объектом исследования.

Алгоритм измерения может быть представлен программно, словесно, аналитически, графически или сочетанием этих методов. Последовательность действий при этом не произвольна, а реализует тот или иной метод решения задачи. Во всех случаях поставленная задача должна быть настолько точно сформулирована, чтобы не осталось места различным двусмысленностям.

Программное обеспечение ИИС включает в себя системное и общее прикладное программное обеспечение, в совокупности образующее математическое обеспечение, которое реализуется программной подсистемой. Системное программное обеспечение - это совокупность программного обеспечения компьютера, используемого в ИИС, и дополнительных программных средств, позволяющих работать в диалоговом режиме; управлять измерительными компонентами; обмениваться информацией внутри подсистем комплекса; автоматически проводить диагностику технического состояния.

По существу, программное обеспечение ИИС представляет собой взаимодополняющую, взаимодействующую совокупность подпрограмм, реализующих:

- типовые алгоритмы эффективного представления и обработки измерительной информации, планирования эксперимента и других измерительных процедур;

- архивирование данных измерений;

- метрологические функции комплекса (аттестацию, поверку, экспериментальное определение нормируемых метрологических характеристик и т. п.).

Информационное обеспечение определяет способы и конкретные формы информационного отображения состояния объекта исследования в виде документов, диаграмм, графиков, сигналов для их представления обслуживающему персоналу и компьютеру для дальнейшего использования в управлении.

Всю измерительную систему в целом охватывает метрологическое обеспечение.

В структуру технической подсистемы ИИС входят:

- блок первичных измерительных преобразователей;

- средства вычислении электрических величин (измерительные
компоненты);

- совокупность цифровых устройств и компьютерной техники

- меры текущего времени и интервалов времени; блок вторичных измерительных преобразователей;

- устройства ввода/вывода аналоговых и цифровых сигналов;

- совокупность элементов сравнения, мер и элементов описания;

- блок преобразователей сигнала, цифровых табло, дисплеев, элементов памяти и различные накопители информации.

Кроме указанных элементов в подсистемы ИИС может входить ряд устройств согласования со штатными системами исследуемого объекта, телеметрией и пр. Важное значение для эксплуатации ИИС имеет эргономическое. Эффективное и наглядное построение форм дисплея и управляющих элементов, называемых интерфейсом пользователя, обеспечивающих взаимодействие оператора с системой

2.3 Мониторинг системных показателей ошибок в волоконно-оптических системах и сетях

В системах ВОСП используются различные типы сервиса, которые при оценке показателей их качества могут быть разбиты на две большие группы: спутниковые каналы и наземные каналы. Для этих каналов могут быть рассчитаны определенные показатели ошибок, которые обычно указываются в соглашениях, заключаемых между продавцами услуг (каналов) и клиентами. Эти показатели ошибок могут быть измерены, если система находится в эксплуатации, или должны быть рассчитаны на основе конкретной схемы клиентского спутникового или наземного канала.

При оценке и измерении таких показателей требуется, понимание применяемой терминологии, типов используемых ошибок, а также диапазона изменения параметров и возможного порядка величин, которые имеют место в типовых расчетах для конкретных сетей. Собственно измерение указанных показателей ошибок в процессе эксплуатации ВОСП в настоящее время значительно упрощено, так как осуществляется в автоматическом режиме большинством систем управления, использующих технологии SDH, WDM

Анализ показателей ошибок и источников их возникновение.

С точки зрения оценки показателей ошибок каналы ВОСП можно разделить:

- по типу тракта - на спутниковые и наземные;

- по скорости - на каналы пх64 (меньшие, чем Е1 - первичная скорость PDH, равная 2048 кбит/с) и каналы равные и большие, чем Е1 (включая каналы PDH, SDH и режима асинхронной передачи -ATM);

- по используемой технологии на каналы PDH, SDH и ATM;

- по условиям эксплуатации - на долговременные, рассчитанные на длительный период измерения - 30 суток и оперативные, рассчитанные на короткий период измерения: 15 мин, 2 часа, 24 часа (сутки) и 7 суток;

- по методике измерений - на показатели, измеренные при выключенном сервисе (Out of Service - OoS) и без перерыва сервиса (In Service Measurement/Monitoring - ISM).

В соответствии с этим существуют разные группы международных стандартов:

- для спутниковых каналов пх64 кбит/с - ITU-R S.614 [7], Е1 и выше - ITU-R S.1062 [6];

- для наземных трактов и каналов пх64 (ниже Е1) используется стандарт ITU-T G.821 [3], для каналов Е1 и выше - ITU-T G.826, G.827 [4, 13]; для любых скоростей технологии SDH (VC-n и STM-n) - стандарты ITU-T M.2100, М.2101.1 [8,9] .

Данные стандарты определяют методику оценки и предельно допустимые значения параметров ошибки в каналах связи. Причем рекомендации G.821, G.826 и G.828 предусматривают использование долговременных норм, стандарты М.2100, М.2101 и оперативные нормы.

Магистральные каналы связи, о которых идет речь, достаточно протяженные и могут включать сегменты, использующие разные технологии и среды передачи -- спутниковые, оптоволоконные, радиорелейные и т.д., формируя так называемые составные каналы. Чтобы вычислить предельно допустимую ошибку в таком канале, нужно знать показатели ошибок для различных сегментов, которые могут определяться по-разному, если сегменты различны по типу, протяженности и используемой технологии. Например, канал 2 Мбит/с может на одном сегменте рассматриваться как триб PDH, а на другом - как триб SDH, передаваемый в потоке STM-N

Рассмотрим типы показателей ошибок и их источник возникновение.

Существует довольно много показателей ошибок, а также составляющих их параметров, которые используются для оценки показателей производительности или качества работы ВОСП. Перечислим следующие показатели и параметры, ошибок стандартные при их регламентации для ОЦК или других типов каналов на сетевых трактах ВОСП.[2.3]

1. BER - коэффициент ошибок по битам - отношение числа принятых с ошибками бит к общему числу посланных бит стандартной псевдослучайной последовательности (ПСП), вычисленное за определенный период времени Т. BER-тестер передает стандартную ПСП (длиной в 211-1 бит для 64 кбит/с и 215-1 бит для 2 Мбит/с) и принимает ее, сравнивая исходную ПСП с принятой. Для BER-тестеров период Т - это тестовый интервал длительностью 10 сек.

2. NES - число секунд с ошибками за указанный период Т. Этому числу соответствует эквивалентный нормированный (относительный) показатель ESR=NES/T, причем используются два определения секунд с ошибками - ES, порожденные двумя стандартами: G.821 (ES-ОЦК) и G.826 ( ES-Е1):

- ES - Errored Second - секунда с ошибками - определяется как:

- ES-ОЦК - период в 1 с, в течение которого наблюдалась хотя бы одна ошибка:

- ES-E1 - период в 1 с, в течение которого наблюдался хотя бы один блок с ошибками или дефект, которые определяются следующим образом:

- ЕВ - Errored Block - блок с ошибками - в котором содержится хотя бы одна ошибка,

- блок - логическая последовательность бит, используемая в процессе мониторинга рабочих характеристик в режиме без отключения сервиса (ISM); длина блока выбирается не произвольно, а в зависимости от используемого кода с обнаружением ошибок, например, для потока El длина блока равна 2048 бит, а для эквивалентного ему в SDH виртуального контейнера VC- 12- 1120 бит;

- дефект - характерное изменение рабочих параметров в процессе мониторинга без отключения сервиса.

3. ESR - Error Seconds Ratio - коэффициент ошибок по секундам с ошибками - отношение числа ES к общему числу секунд в период готовности в течение фиксированного интервала времени измерений.

4. NSES - the Number of Severely Errored Seconds (SES) - число секунд с серьезными ошибками, за указанный период Т, или эквивалентный ему нормированный (относительный) показатель SESR=NSES/T, где:

- SES - Severely Errored Second - секунда с серьезными ошибками, для спецификации которой также используются два определения, порожденные стандартами:

- SES-ОЦК - период в 1 с, в течение которого коэффициент ошибок ВЕR > 10-3;

- SES-E1 - период в 1 с, который содержит > 30% блоков с ошибками ЕВ, или в течение которого наблюдался хотя бы один период с серьезными нарушениями SDP, SDP - Severely Disturbed Period - период с серьезными нарушениями - отрезок сообщения длиной в 4 последовательных блока, в каждом из которых (или в среднем за 4 блока) либо коэффициент ошибок больше или равен 10-2, либо наблюдалась потеря сигнальной информации.

SESR - Severely Errored Seconds Ratio - коэффициент ошибок по секундам с серьезными ошибками - отношение числа SES к числу секунд в период готовности (рассматриваемый как физически непрерывный отрезок времени) в течение фиксированного интервала измерений.

5. NBBE - the Number of Background Block Errors (BBE) - число блоков с фоновыми ошибками, за указанный период Т, или эквивалентный нормированный (относительный) показатель BBER=NBBE/T, где:

- ВВЕ - Background Block Error - блок с фоновой ошибкой - блок с ошибками, не являющимися частью SES.

6. ВВЕR - Background Block Error Ratio - коэффициент ошибок по блокам с фоновыми ошибками - отношение числа ВВЕ к общему числу блоков в период готовности течение интервала измерений Т.

7. Availability - доступность услуги за указанный период Т, в %

8. Unavailability - недоступность услуги - промежуток времени, начинающийся с 10 последовательных SES и заканчивающийся после обнаружения 10 последовательных секунд без SES

9. DM - Degraded Minutes - минуты деградации сигнала - общее число минут, для которых среднее (за минуту) значение ВЕR < 10-6 -который регистрируется BER-тестерами.

При тестирований этих показателей нужно иметь в виду следующие ограничения. Период Т. указываемый в соглашении должен быть выбран из ряда стандартных величин: 15 мин и 24 часа (сутки), так как только эти интервалы фигурируют в нормах на приемку и техническое обслуживание (ТО) каналов функционировании связи.

Показатель 1 может быть измерен доступными средствами (например, BER-тестерами), и характеризует качество среды передачи. Он, непосредственно не используется как эксплуатационная норма на показатели ошибок для международных соединений. Не существует детерминированной формулы (процедуры) пересчета ВЕR в ES или SES. Вероятностная и приблизительная методики пересчета этого показателя в ES и SES приведены ниже. Для ориентации можно считать, что спутниковый участок сетевого тракта считается нормальным, если реализует BER на уровне 10-7 - 5Ч10-7; нормальный участок абонентской линии на модемах Watson также реализует BER на уровне 10-7 - 5Ч10-7; нормальный участок ВОЛС с технологией SDH реализует BER не хуже 10-9 - 10-10, а с технологией WDM не хуже 10-10 - 10-12.

Показатели 2, 4, 5 широко используются как в нормах и стандартах, так и указываются в соглашениях. Они адекватно характеризуют качество услуг в канале связи, основаны на понятии "секунд с ошибками", которые можно измерить не только при выключенном сервисе (QoS), но и непосредственно в процессе работы системи мониторинга. Для оперативных норм измерения проводят в течение интервала Т, выбираемого из четырех стандартных значений: 15 мин, 2 часа, сутки или 7 суток. В нормах на приемку и ТО каналов фигурируют, только 15 мин и сутки, которые и рекомендуется указывать в соглашении. В ВОЛС, например в системах SDH и WDM, есть встроенные в систему управления сетью средства контроля секунд с ошибками из ряда описанных выше показателей. Показатели NES в большей степени отражают единичные ошибки, а не пачки ошибок. Групповые ошибки учитывают параметр NSES - При равном числе ошибок характер их локализации во времени может быть различным.

Измерение без отключения канала часто называются мониторингом, поскольку измерения производятся в режиме работающего канала, а анализатор в этом случае подключается параллельно и осуществляет пассивный мониторинг канала. Алгоритм организации измерений основан на применении различных типов цикловых типов кодов или служебной информации, передаваемой в канале. Методы измерение без отключения канала основаны на идентификации битовой ошибки в некотором блоке переданной информации, поэтоми объективная точность измерения ограничении размерами блока. Несомненное преимущество метода - отсутствие необходимости отключения канала - определило широкое его распространение.

В цифровых системах передачи различные воздействия на цифровой канал приводят к снижению основного качественного параметра - параметра ошибки в цифровом канале имеет аналоговую природу, поскольку связаны с интерференцией, затуханием в линии и различными аддитивными шумами.

Основные источники ошибок в цифровом канале являются искажение в канале, наличие импульсных помех, аддитивный шум в канале и затухание в линии. Наличие искажений в канале связано как с затуханием так и сотражением сигнало. Источником шумов здесь выступають физическое разрушенния кабеля, слишком малое поперечное сечение. Вторым важным источником шумов являются импульсные помехи в канале. Источником ошибок здесь могут явиться сливые кабели, наличие сигнализации по постоянному току. Наиболее существенным и многоплановым фактором влияние на параметры цифрового канала является наличие аддитивных шумов различной природы. Четвертым важным источником шумов в цифровых каналах является затухание в кабелях и линиях передачи (высокий уровень затухания, его неравномерная характеристика), которая приводит к появлению субгармоник, вносящих дополнительный аддитивный шум. В цифровой системе передачи, то можно выделяются внутренние и внешние источники ошибок.

К внутренним источникам ошибок относятся: различные нестабильности во внутренних цепях синхронизации цифровых устройств, дрейф в системе внутренней синхронизации устройства; нестабильности, связанные с измеруешим характеристик компонентов во временем; перекрестные помехи в цепях устройства; нарушения, связанные с неравномерностью АЧХ; повышение порога по шуму:

К внешним источникам ошибок можно отнести различные параметры, воздействующие на цифровой канал: перекрестные помехи в каналах передачи; джиттер в системе передачи; электромагнитная интерференция; вариации питания устройств; импульсные шумы в канале; механические повреждение, воздействие вибрации, плохие контакты; деградация качественных параметров среды передачи ( оптического кабеля); глобальные нарушения, связанные с разрушением канала цифровой передачи.

Влияние всех перечисленных источников ошибок и интерференции значительно повышается при снижении параметра отношения сигнал/шум.

Влияние битовых ошибок отличается для различных услуг и систем передач в зависимости от следующих факторов:

- типа передаваемого трафика (голос, данные, видео, мультимедиа и т.д.);

- типа системы передачи, принципа кодирования и наличия цепей резервирование передачи сигнала;

- количества и частоты битовых ошибок.

При передачи сигналов с использованием ВОСП на базе оптического волокна возникают потери по следующим причиним: собственные внутренние потери; потери вызванные примесями; рассеяние Рэлефся; потери вызванные несовершенством оптоволокне; дисперсия, межмодовая, хроматическая, поляризационная модовая дисперсия.

Методы оценки показателей ошибок на основе BER.

Для оценки параметров ошибок используются две методики оценки показателей:

- первая методика - основана на мониторинге ошибок канала при выключенном сервисе (QoS) и использует псевдослучайную последовательность блоков определенной длины и скорости передачи, измеряемой числом блоков в секунду (на ней основан такой показатель, как ВЕR, измеряемый специальными приборами - BER-тестерами);

- вторая методика - основана на мониторинге ошибок канала при включенном сервисе (ISM) и использует реальную последовательность блоков с длиной блока, зависящей от используемой процедуры обнаружения ошибок, и номинальной скоростью передачи, определяемой сервисом (на ней основаны замеры и вычисления таких показателей, как ES, SES, ВBE).

Первой метод дает возможность легко провести тестирование параметров ошибок с использованием доступного и относительно дешевого средства - BER-тестера. Она широко используется на СКС и каналах связи, использующих радиорелейные линии - РРЛ. Однако этот метод практически мало используется для оценки наземных ВОЛС, так как получаемые значения, например даже BER?10-12, с одной стороны, мало что говорят об истинном уровне ошибок в реальном канале связи, который, как правило, состоит из нескольких сегментов, например СКС+РРЛ+ВОЛС+АЛ, с другой -позволяют обеспечить примерно то же потребительское качество канала связи, что и спутниковая система связи (ССС). И это при разнице в величине BER в 5 порядков.

Второй метод дает значительно более реалистичные показатели работоспособности каналов, которые легко мониторятся на ВОЛС, например в системах SDH и WDM, так как они имеют встроенные средства такого мониторинга в системе управления - NMS.

Простой и часто предлагаемый выход - пересчет одних показателей в другие - не работает, так как нет детерминированных функциональных (формульных) соотношений между двумя типами показателей, используемых в этих двух методиках:

- полностью перейти на вторую методику, в том числе и в ССС и РРЛ;

- получить вероятностные соотношения между двумя группами параметров используя модели вероятностных процессов, происходящих при измерениях, и использовать экстраполирование модельных результатов на практические системы путем введения новых вероятностных оценок, отличных от ВЕR.

Рассмотрим возможности второго метода. Суть методики в том, что ошибки контролируют при помощи того же BER-тестера во многих точках, но гистограмму значений BER не усредняют, а формируют на ее основе интегральную функцию распределения BEP(t) изначально экспоненциального вида. Затем BEP(t) кусочно-линейно аппроксимируют, используя несколько точек. График соединяющий эти точки и соответствует так называемой маске ВЕР.

Если фактическая маска ВЕР, сформированная на основе измеренной гистограммы BER, не превосходит в эталонных точках стандартизованные значения ВЕР (т.е. покрывается эталонной маской), то уровень ошибок в каналах цифровой передачи удовлетворяет требованиям стандартов G.826/G.821.

Если по такому набору характерных точек построить вероятностную математическую модель процесса ВЕР и провести идентификацию ее параметров по набору соответствующих оценок ES и SES, то можно получить соотношения, связывающие вероятности получения определенных ES и SES по ВЕР и числу бит в блоке, используемом в качестве испытуемого - NB.

Если такое удается сделать, то можно предложить:

- во-первых, в будущем ориентироваться на показатели, соответствующие второй методике оценки, оставив показатель BER только для предварительного тестирования канала;

- во-вторых - временно рекомендовать использование многоточечной маски (модели) вероятности битовых ошибок - ВЕР для оценки параметров ошибок СКС и систем с РРЛ, основываясь на методике, предложенной в ITU-R S.1062 (для каналов Е1 и выше); или в ITU-R S.614 [7] (для каналов 64 кбит/с).

Используя этот подход, нужно четко представлять, что ВЕР - некая абстрактная (модельная) величина, тогда как BER - реально измеряемый показатель.

Маска ВЕР формируется так, чтобы любой удовлетворяющий ее канал цифровой передачи одновременно удовлетворял и нормам стандарта ITU-T G.826 (для каналов Е1 и выше) или стандарта ITU-T G.821 (для каналов 64 кбит/с).



Рис. 2.3. Обобщенный вид маске BER

Маска представляет собой некую нормированную функцию ВЕР/б( Т), где Т - период времени эксплуатации (например, месяц), имеющий наихудшие показатели, а б - параметр ошибок, соответствующий среднему числу ошибок в одном блоке на интервале Т. Причем б зависит от статистики ошибок, длины передаваемых CRC-/BIP-блоков, схемы кодирования, относительной скорости кодирования FEC и наличия процедур шифрования (скремблирования). Функция ВЕР/б аппроксимируется по методу кусочно-линейной аппроксимации с тремя (в упрощенном варианте) эталонными точками излома, ограничивающими модельные интервалы времени (полное Т - стандартный интервал измерения составляет 100 %): 0,2%; 2,0% и 10% (для Т>10% линейный сегмент параллелен оси времени), рис. 2.3.

Для расчета ВЕР/б используется определенная (правдоподобная) модель ошибок в рассматриваемом канале. Например характер ошибок спутниковом канале - пакетный, а средняя длина пакета ошибок на длину блока, выбираемого в зависимости от стандартной скорости передачи. Предполагается, что ошибки распределены по закону Пуассона или по закону Неймана с последствием . Для модели вычисляются вероятности PESi, PSESi а затем вычисляются величины

ESR=??PESi?ti; (2.12)

SESR=?PSESi?ti, (2.13)

где суммирование берется по всем модельным интервалам времени. Формула привязки ВЕР/б и указанных показателей (например, для закона Пуассона) может иметь вид, приведенный ниже чисто для иллюстрации, чтобы увидеть связь с CRC - Cyclic Redundancy Check - циклическим избыточным кодом обнаружения ошибок:

PES = (1 - ехр(-nРЕВ)), (2.14)

где РЕВ = (l-exp(-NBЧBEPCRC)).

n - число стандартных CRC-тестируемых блоков в секунду (например, для Е1 это 1000, при длине блока 2048 бит), a BEPCRC = ВЕР/б .

Маски для потоков на скорости 64 кбит/с и 2 Мбит/с приведены в табл. [2,1]

Таблица 2.1

Скорость, кбит/с	% от общего времени	ВЕР	ВЕР /б, а=10
64	0,03	10-3
	2,0	10-6
	10,0	10-7
2048	0,2	7*10-6	7*10-5
	2,0	2*10-8	2*10-7
	10,0	2*10-9	2*10-8

Величина ВЕР/б получена практически идентичной для двух моделей распределения ошибок. Что касается величины б, то ее оценка для потока 2048 кбит/с в соответствии с той же рекомендацией выбрана равной 10 по результатам испытаний лаборатории Intelsat для кодеков с относительной скоростью кодирования 3/4 и скремблированием. Указанные в табл.2.1 значения для 2048 кбит/с получены для стандартного набора параметров ошибок, используемых в ITU-T G.826 для диапазона скоростей 1,5...5 Мбит/с, а именно: ESR = 0,04, SESR = 0,002, BBER = 0,0003/ 0,0002.

Расчеты показывают:

- что указывать в Соглашениях одно значение ВЕR, неправильно; логично приводить заданную таблицей маску с указанными опорными значениями ВЕR;

- полученные в результате суточного мониторинга значения ВЕR нужно распределять по указанным модельным интервалам времени (0,2%, 2,0% и 10%), что в случае суточного теста дает следующее допустимое распределение относительной ошибки ВЕR (при передаче потока Е1);

- не хуже 7х10-5 в течение 172,8 с теста;

- не хуже 2х10-7 в течение 1728 с теста;

- не хуже 2х10-8 в течение 8640 с теста;

- лучше, чем 2x10-8 в остальной период времени.

3. вывод о несоответствии испытуемого канала стандартам может быть вынесен только тогда, когда гистограмма фактического распределения параметра ВЕR лежит выше модельного распределения, т.е. когда она не укладывается в соответствующую маску.

Нужно признать, что практически нам более надежными оценками являются показатели ошибок на основе ES и SES.

Процедура расчета показателей ошибок на основе ES и SES.

Из вышеизложенного ясно, что основным в оценке показателей ошибок ВОСП должно стать измерение параметра ВЕR, формирование на его основе маски ВЕР и расчет показателей ошибок на основе параметров ES и SES.

Расчет параметров ES и SES и определение на их основе показателей ошибок RPO и BISO осуществляется на основании следующих стандартов:

- для каналов 64 кбит/с и пх64 кбит/с < Е1 - по стандарту G.821 и М.2100;

- для каналов Е1 и >Е1 - по стандарту G.826 и М.2100 ;

- для каналов PDH в целом - по стандарту М.2100 [8];

- для каналов SDH - расчет по стандарту М.2101.1 []

Из приведенного выше материала следует, что перед расчетом показателей ошибок нужно определить:

- тип канала/тракта (спутниковый или наземный);

- из каких участков состоит данный канал или тракт передачи;

- какая скорость передачи используется на каждом участке;

- какая технология передачи (PDH или SDH) используется на каждом участке;

- для каких типов норм (долговременных или оперативных) рассчитываются показатели;

- для какого интервала времени Т рассчитывается указанная норма.

При расчете показателей ошибок исходным является соответствующая относительная величина показателя ошибки ESR, SESR и ВВЕК, выбираемая из таблиц, приведенных в указанных стандартах. Такой таблицей может служить таблица для оперативных норм. Считается, что долговременная (суточная или 7-суточная) норма, вычисляемая в режиме выключенного сервиса с использованием ПСП, является приемлемой для тестирования тракта. Кратковременные (15 мин, 2 часа) оперативные нормы приемлемы для наземных, и в первую очередь международных ВОЛС.

Примечание: ОЦК, ПЦК/ПЦСТ, ВЦК/ВЦСТ, ТЦК/ТЦСТ и ЧЦК/ЧЦСТ - основной (О), первичный (П), вторичный (В), третичный (Т), четверичный (Ч) цифровой канал (ЦК) или цифровой сетевой тракт (ЦСТ).

Формально процедура вычисления параметров ошибок ES и SES по табл. 2.2 для одного участка достаточно проста:

- долговременная норма: ES = AESRЧСЧT, SES = ASESRЧСЧT;

- оперативная норма: ES = BESR ЧCЧT, SES = BSESRЧCЧT.

Таблица 2.2

Тип канала/тракта	Скорость канала, кбит/с	Долговременные нормы, параметр А	Оперативные нормы, параметр В
	кбит/с	ESR	SESR	BBER	ESR	SESR
ОЦК	64	0,08	0,002	-	0,04	0,001
ПЦК/ПЦСТ	2048	0,04	0,002	2(3)*10-4	0,02	0,001
ВЦК/ВЦСТ	8448	0,05	0,002	2*10-4	0,025	0,001
ТЦК/ТЦСТ	34368	0,075	0,002	2*10-4	0,0375	0,001
ЧЦК/ЧЦСТ	139264	0,16	0,002	2*10-4	0,08	0,001

Здесь Т=900 с (15 мин), 7200 с (2 ч), 86400 с (1 сутки), А и В - коэффициенты, в столбцах ES и SES для строк, соответствующих используемой скорости передачи, а С - процент от соответствующей (суммарной) нормы, приходящийся на данный участок тракта.

Хотя формально расчет очень прост, первые сложности начинаются при выяснении того, из каких участков состоит данный канал или тракт передачи и какой процент ci суммарной нормы приходится на данный конкретный участок. Если таких участков n, то

С=i, (2.15)

где i= 1, 2…, n.

Другая сложность заключается в том, что в общем случае С = ? + д(L), где ? - неделимая и не зависящая от L процентная часть (блок), выделяемая для данного участка (например, ? = 15% для спутникового участка), a д(L) - процентная часть, зависящая от L.

В отличие от долговременных норм, оперативные нормы могут быть вычислены (например, в системах SDH с помощью систем управления - NMS) по результатам мониторинга в процессе сервисного обслуживания (ISM).

В результате, кроме эталонной нормы показателя качества RPO (Reference Performance Objective), роль которой играет приведенная выше оперативная норма,

RPO = BЧCЧT, (2.16)

появляется оперативная норма ввода в эксплуатацию

BISO=kЧRPO,

Эта норма принимается за среднее значение распределения вероятных значений показателей ошибок, для которого вычисляются: дисперсия и доверительный интервал, т.е.

у = 2vBISO и [BISO-у, BISO+у], (2.17)

обозначаемый как [S1, S2], где S1 = BISO-у, a. S2 = BISO+у.

По законам статистики оценка показателя считается состоятельной, если она укладывается в доверительный интервал [S1, S2]. Здесь рекомендует:

- считать тракт условно принятым в эксплуатацию, если [S1, S2],

- считать тракт принятым в эксплуатацию, если S<S1,

- считать тракт не принятым в эксплуатацию, если S>S2.

В табл. 2.3 приведены соответствующие значения оперативных норм и пороговых значений показателей ошибок S1 и S2 для канала ОЦК (64 кбит/с) при суточном измерении для различных типов цифровых сетевых трактов и процентных блоков участков (стандарта М.2100).

Таблица 2.3

Тип канала или линии	Блок	ES	SES	BER
	%	S1	BISO	S2	S1	BISO	S2	(справочной)
Спутниковый канал	15%	227	259	291	1	6	12	<2,6*10-6
Абонентская линия	15%	227	259	291	1	6	12	<2.6*10-6
Местная первичная сеть	7,5%	107	130	152	0	3	7	<1,3*10-6
Внутризоновая первичная сеть	7,5%	107	130	152	0	3	7	<l,3*10-6
Магистральная первичная сеть	20%	308	346	383	3	9	15	<3,5*10-6

Таблица 2.4

Тип канала или линии	Блок,	ES	SES
	%	S1	BISO	S2	S1	BISO	S2
Спутниковый канал	15%	107	130	152	1	6	12
Абонентская линия	15%	107	130	152	1	6	12
Местная первичная сеть	7,5%	49	65	81	0	3	7
Внутризоновая первичная сеть	7,5%	49	65	81	0	3	7
Магистральная первичная сеть	20%	147	173	199	3	9	15

В табл. 2.4. приведены соответствующие значения оперативных норм и пороговых значений показателей ошибок S1 и S2 для канала ПЦК (2048 кбит/с) при суточном измерении для различных типов цифровых сетевых трактов и процентных блоков участков (стандарта М.2100)

Мониторинг показателей ошибок в реальных системах.

Современные системы управления транспортными сетями (используемы в сетях SDH-WDM), на уровне сетевых менеджеров, автоматически вычисляют указанные выше показатели ошибок для периода Т= 15 мин и 24 часа и хранят статистику этих ошибок.

Это значительно облегчает не только контроль уровня ошибок, но и регистрацию факта превышения пороговых значений ошибок, заданных при конфигурации системы. Что не менее важно, это позволяет обслуживающему персоналу реально видеть, какой уровень ошибок соответствует состоянию нормальной эксплуатации и какой - той или иной аварийной ситуации.

Например, система управления сетями SDH eNM-XDM компании ECI позволяет устанавливать пороги и отслеживать их превышение для 12 показателей ошибок, из которых 9 соответствуют обсуждаемым нами показателям:

- BBENE/BBEFE - число блоков с фоновыми ошибками на ближнем (BBENE) и дальнем (BBEFE) концах;

- ESNE/ESFE - число секунд с ошибками на ближнем (ESNE) и дальнем (ESFE) концах;

- OFS - число секунд, содержащих сигнал OOF(сигнал выхода за границы фрейма SDH, или сигнал потери синхронизации, формируемый после прихода нескольких последовательных фреймов с нарушениями в структуре шаблона синхронизации);

- SESNE/SESFE - число секунд с серьезными ошибками на ближнем (SESNE) и дальнем (SESFE) концах;

- UASNE/UASFE - число недоступных секунд с ошибками на ближнем (UASNE) и дальнем (UASFE) концах.

Пороговые уровни (нижний и верхний) могут устанавливаться по результатам расчетов показателей качества (или на основе анализа предыдущей статистики) для соответствующих объектов передачи, которыми могут быть: трибы PDH (2/34/140 Мбит/с), виртуальные контейнеры: VC-12/3/4, мультиплексная MS и регенерационная RS секции.

Если уровни не заданы при конфигурации, то они устанавливаются производителем по умолчанию. Эта ситуация должна контролироваться, так как параметры по умолчанию могут быть причиной искажения статистики, если их номинальные значения существенно отличаются от тех, что были получены для конкретного канала передачи в результате расчета.

1. Разработанные научно-методологические аспекты построения систем мониторинга волоконно-оптических сетей телекоммуникации является основой проводимых исследований.

2. В системе мониторинга показателей качества функционирование ВОТС должен быть учтены все дестабилизирующие факторы ухудшающие передачу информации в системе передачи.

3. Организация непрерывного контроля ВОЛТ должна основывается на использовании информационно - измерительных систем (ИИС).

4. Структура построения ИИС должна соответствовать изложенным в работе требованиям.

5. Мониторинг должен контролировать основные типы ошибок ES,SES,BBE и при этом использовать методы, процедуры и оценки показателей ошибок на основе BER и маски BEP.

6. В системе мониторинга необходимо в основном использовать вторую методику основанную на контроле и оценки ошибок канала при включенном сервисе с использованием реальной последовательности передаваемых блоков, зависящей от используемой процедуре обнаружения ошибок и номинальной скорости передачи.

3. Методы контроля элементов ВОСП и несанкционированного доступа к ВОЛС