автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Методы построения сетей городского масштаба с применением оптических решений

Не,

484551

КОНЮХОВА Валентина Михайловна

МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ СЕТЕЙ ГОРОДСКОГО МАСШТАБА С ПРИМЕНЕНИЕМ ОПТИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

Специальность: 05.12.13 - Системы, сети и устройства

телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 МАЙ 2011

Уфа-2011

4845511

Работа выполнена на кафедре телекоммуникационных систем ГОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» и на кафедре автоматизированных систем обработки информации и управления ГОУ ВПО «Казанский государственный технический университет» им. А.Н. Туполева

Научный руководитель д-р техн. наук, доцент

Ведущая организация - Башкирский государственный университет, г. Уфа

Защита диссертации состоится " 27 " мая 2011 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д-212.288.07 при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Виноградова Ирина Леонидовна

кафедра телекоммуникационных систем Уфимского государственного авиационного технического университета

Официальные оппоненты д-р физ.-мат. наук, проф.

Надеев Адель Фирадович

кафедра радиотехнических систем Казанского государственного технического университета

канд. техн. наук

Акулыиин Виктор Николаевич

Уфимские городские телефонные сети ОАО «Башинформсвязь»

Автореферат разослан

апреля 2011 года.

Ученый секретарь диссертационного совета д-р. техн. наук, профессор

С.С. Валеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из основных задач телекоммуникационных систем является расширение сферы предоставляемых услуг и повышение их качества, что особенно важно для сетей городского масштаба (Metropolitan Area Networks — MAN). Успешное её решение возможно только при высокой экономической эффективности работы сета, а именно - при согласованной работе устройств, равномерном использовании сетевых ресурсов без создания перегруженных центров, обеспечении качества передачи. Всё это делает актуальным разработку подходов к оптимальному построению сетей с этой точки зрения, при условии обеспечения наибольшего количества каналов, что также актуально для сетей типа MAN. Перспективной также является тенденция внедрения оптических технологий не только в ядре сети, но и на сегментах абонентского доступа. Но сегодня оптические технологии используются лишь в пассивном варианте, а их внедрение на абонентских сегментах является весьма редким случаем. Принятый стандарт сетей PON (Passive Optical Networks) предполагает использование электронного окончания. Это связано с ограниченным количеством полностью оптических каналов, то есть нецелесообразностью их развития к абонентам. В ядре сети оптические технологии пока не используются для обработки сигналов, хотя их масштабное внедрение даже в пассивном варианте позволило бы снизить уровень, на котором выполняется операция, а значит повысить быстродействие протекания сетевых процессов.

Существующие методики построения сетей не в полной мере учитывают свойства полностью оптических эффектов и возможности соответствующей элементной базы. Следовательно, они не всегда позволяют произвести подстройку параметров сети под поставленные телекоммуникационные задачи, что в ряде случаев сводит на нет достигнутые результаты. Следовательно задачи развития подходов к использованию полностью оптических решений для выполнения операций управления сетевыми процессами, позволяющих не только масштабнее использовать оптику, но и снизить сетевой уровень управления; разработки математических моделей для описания таких сетевых процессов и разработки принципов построения сетевых устройств на основе применения полностью оптических эффектов и методик определения их оптимальных конструктивных параметров являются актуальными при проектировании, разработке и модернизации волоконно-оптических цифровых сетей. ^

Исследования посвящены разработке подходов к расширению функцио-v '.) налыюсти сетей городского масштаба с применением полностью оптических ре- J шений и нахождению оптимальных параметров для них.

Цель работы. Разработка методов оптимизации сетевых параметров с применением оптических решений и моделирование сетевых процессов для вновь получаемых сетей с учётом аддитивного шума, девиации временного интервала, возможных нарушений сложной структуры цифрового сигнала и реальной работоспособности (загрузки, длительности обслуживания) линий связи и оборудования узловых станций.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:

1. Разработка метода повышения эффективности функционирования оптических сетей, позволяющего разгрузить ресурсы вышестоящего сетевого узла при взаимодействии абонентов между собой, а также позволяющего увеличить быстродействие обработки сигналов.

2. Разработка метода, позволяющего оптимально увеличить количество абонентских каналов при условии поддержки качества обслуживания и сохранении значения степени узлового соединения.

3. Разработка метода определения трафиковых долей потоков и топологии много- и однопутевого графа, позволяющего находить оптимальные пути для передачи сигналов служебных подсистем по критерию минимизации уровня дрожания фазы (джиттера) и взвешенной суммы межконцевых задержек сообщений.

4. Разработка вычислительной методики оценки и повышения значений показателей надёжности и помехоустойчивости системы телекоммуникаций, позволяющей проводить перерасчет пропускных способностей линий связи и трафиковых долей потоков для последующей адаптации сетевой топологии к конкретным условиям эксплуатации.

5. Разработка метода и схемотехнического подхода, обеспечивающих снижение девиации временного интервала в объединённом абонентском сигнале с применением полностью оптического решения.

Методы исследований. В работе использованы положения теории графов, случайных процессов, дифференциальных уравнений. Применены методы математического моделирования, в том числе компьютерного. Проведён вычислительный эксперимент с использованием результатов эксплуатации действующей телекоммуникационной системы.

Объектом исследования являются волоконно-оптические сети, используемые для реализации абонентских окончаний.

Предмет исследования: теоретические, методические и практические вопросы повышения эффективности функционирования оптических сетей с использованием полностью оптических решений.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработан метод повышения эффективности функционирования сегмента оптической сета, отличающийся от традиционных методов построения пассивных оптических сетей тем, что использован звездообразный разветви-тель на абонентской части и дополнительный протокол взаимодействия абонентов в пределах сегмента (без задействования центрального узла) на основе их ^-адресов и с учётом наиболее вероятных текущих состояний.

2. Предложен метод определения параметров сетевой топологии оптической сети, отличающийся от известных тем, что при проведении расчётов параметров выполнена совместная оценка вероятности достоверного приёма сообщения, вероятности битовой ошибки на приёме сообщений и времени доставки сообщения до абонента.

3. Предложен метод маршрутизации сигналов, основанный на определении трафиковых долей потока с последующим выбором топологии для одно- и многопутевого графа, отличающийся от традиционных тем, что при проведении расчётов учтены эксплуатационные параметры цифровой сети.

4. Предложен метод снижения девиации временного интервала в групповом абонентском сигнале, отличающийся от известных сетевым использованием волоконно-оптической петлевой схемы, вырабатывающей оптический сигнал управления положением строб-сигнала для оптического мультиплексора.

Практическая ценность состоит в повышении эффективности функционирования сегмента оптической сети посредством разгрузки ресурсов центрального (вышестоящего) сетевого узла в задаче взаимодействия абонентов на рассматриваемом сегменте, а также увеличения скорости обработки информации за счёт применения предложенного протокола и оптимальной сетевой топологии при условии сохранения помехоустойчивости и надёжности передачи на установленном нормативно-технической документацией уровне и обеспечении наибольшего количества каналов.

На защиту выносятся:

1. Метод повышения эффективности функционирования сегмента оптической сети, разработанный на основе использования звездообразного развет-вителя на абонентской части и нового протокола взаимодействия абонентов, позволяющий разгрузить ресурсы центрального (вышестоящего) сетевого узла в задаче взаимодействия абонентов между собой, а также увеличить скорость обработки информации.

2. Метод увеличения количества абонентских каналов на звездообразной оптической сети, основанный на привлечении режима ПЖ-мультиплексирования с параметрами, рассчитываемыми в результате совместной оценки вероятности достоверного приёма сообщения, вероятности битовой ошибки и времени доставки сообщения до абонента, позволяющий получить

оптимальную топологию сети по критерию обеспечения наибольшего количества каналов при поддержке качества передачи согласно действующим стандартам и обеспечивающая сохранение значения степени узлового соединения.

3. Метод определения трафиковых долей потоков и топологии много- и однопутевого графа, разработанный на основе совместного учёта случайных величин пропускной способности линий сетевого графа, длительностей ожидания сообщений в очереди и влияния внешних искажений, позволяющий находить оптимальные пути как для передачи абонентских сигналов, так и сигналов служебных подсистем по критерию минимизации взвешенной суммы межконцевых задержек сообщений и алгоритмического джиттера соответственно.

4. Методика оценки и повышения значений показателей надёжности и помехоустойчивости системы телекоммуникаций на базе вычислительного эксперимента, заключающаяся в статистическом моделировании входных сигналов и реальных показателей надёжности и помехоустойчивости линий сетевого графа, позволяющая проводить перерасчет пропускных способностей линий связи и трафиковых долей потоков для последующей адаптации сетевой топологии к конкретным условиям эксплуатации.

5. Метод снижения девиации временного интервала в групповом абонентском сигнале на основе применения волоконно-оптической синхронизирующей петли, обеспечивающий подстройку синхронности абонентских сигналов и «маски» тактовых интервалов устройства ТБМ посредством применения эффекта фазовой кросс-модуляции близких по длине волны оптических сигналов.

Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на одиннадцатой международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций», г. Уфа, 2010; XI Международной научно-технической конференции «Информационно-вычислительные технологии и их приложения» г. Пенза, 2010; Международной научной заочной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии», г. Липецк, 2010; Всероссийском семинаре по волоконным лазерам, г. Ульяновск; а также на семинарах кафедр автоматизированных систем обработки информации и управления КГТУ им. А.Н. Туполева и телекоммуникационных систем УГАТУ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, из них - три в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, монография и 8 работ в других изданиях, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка используемой литературы и приложения. Содержит 137 стр. машинописного текста, 45 рисунков, список использованной литературы из 83 наименований, приложения 10 стр.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована основная цель работы, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен анализ современного состояния волоконно-оптических систем передач городского масштаба и тенденции их развития, обосновывающий постановку задачи диссертационной работы. Рассмотрена структура и принципы построения сетей городского масштаба - с применением многоканальных систем SDH, SDH-WDM, Metro Ethernet или Metro Ethernet-WDM, их базовые топологические схемы. Показано, что перспективным направлением особенно для данного класса сетей является передача «аппаратных» функций от электронных устройств к оптическим, а также дальнейшее продление «оптики» в сторону абонента включая не только физическую линию, но и логику обработки сигнала. Подтверждением могут служить программы FTTx, признанной реализацией которых в настоящее время служат пассивные оптические сети PON.

Хотя на основе PON строится значительное количество сетей городского масштаба, указанные сети в большинстве случаев применяются совместно с электронным абонентским окончанием, что противоречит концепциям FTTx. Это происходит в конечном итоге из-за нехватки количества каналов. Кроме того, сетевые ресурсы традиционных PON используются не оптимально при взаимодействии абонентов в пределах сегмента - оказывается перегруженным центральный сетевой узел, что в итоге приводит к снижению качества в соответствии с системой стандартов QoS и GoS. Таким образом показано, что вопросам поиска оптимальных топологий, учитывающего как свойства используемой системы передачи, так и возможности полностью оптических решений, уделено в настоящее время недостаточное внимание.

Перечисленные обстоятельства ограничивают области технических приложений сетей типа PON при реализации городских сетей в свете концепции FTTx, приводят к необходимости решать задачу «электронными средствами», снижая тем самым итоговые показатели качества. Проведённый анализ показал также, что разработка новых математических моделей процесса передачи сигналов с использованием реального сетевого оборудования, методов управления сетью, а также доработки телекоммуникационных устройств, является актуальной технической задачей.

Во второй главе представлен подход к расширению функциональности сетей типа PON, основанный на разгрузке центрального узла, рис. 1, б, для случая взаимодействия абонентов сегмента между собой. Предложено заменить разветвитель \xN, традиционно используемый на PON, рис. 1, а, на звездооб-

разный типа А'хЛг. Для того, что бы уменьшить обратные потери для сети вида рис. 1, б, следует использовать разветвитель со смесителем.

а и ГП 12 1 //г— б

OLT и,. ■ ■ An а //_J 3 OLT Хь.

' I

... х..

Рисунок 1 - Схема соединения абонентской части пассивной оптической сети: а - традиционная древообразная PON; б - предлагаемая конфигурация вида «PON-звезда», в которой «первая линейка» длин волн ki ... Хы (из полного набора значений) применяется для взаимодействия с OLT; и «вторая линейка» длин волн Хк ... Хп - для взаимодействия между абонентами сетевого сегмента. Предполагается, что разветвитель передаёт во все каналы все длины волн с одинаковыми коэффициентами передачи, а выбор принимаемых каналов осуществляется оборудованием абонентов и OLT, причём в последнем случае поступающие ...%„ просто игнорируются

Дня взаимодействия абонентов сегмента между собой предложен следующий алгоритм. Каждый комплект оборудован лазерным передатчиком с перестраиваемой длиной волны и приемником, настроенным иа свою собственную (домашнюю) длину волны. Для того чтобы отправить информационное сообщение, требуется настроить передатчик узла-отправителя на домашний канал адресата, затем передать запрос на разрешение установления соединения, дождаться разрешения и далее передавать сообщение. Данный алгоритм подобен используемому в системе Ethernet с тем отличием, что введена операция получения разрешения адресата на приём, препятствующая возникновению коллизий. Для того чтобы выдать разрешение на возможный приём, каждый абонентский комплект «просматривает» все длины волн «второй линейки», (см. рис. 1, б) в циклическом режиме до тех пор,, пока не обнаруживает канал с запросом на установку соединения, содержащим свой собственный адрес (адрес приемника). Это же отличает данный протокол от известного, применяемого для так называемых ^-коммутирующих схем.

Из-за того, что протокол взаимодействия не совпадает с известивши, решена задача определения оптимальных параметров для взаимодействия (рекомендуемой длины сообщения, времени ожидания и т.д.) из условия наибольшей производительности сети. Для этого описаны состояния сети: TUb ..., TUT - сканирование буферов; TF - запуск светоизлучающего устройства; РР* и РР^ -отправки и получения сигнализирующего запроса; RQ - ожидание разрешения

удалённого узла; ТЯ - состояние передачи (приёма) и Р11 - ожидание приёма, и им поставлена в соответствие цепь Маркова (рис. 2).

Отправка соо&ирт'Я 1Г о поднщерж^детт приёма I

I1 РЯ4Л

Они¡¡х!г.кп сообъцетш о а&шолсяпси/и передачи

Рисунок 2 - Диаграмма состояний абонентского узла Ивдекс х - передача; у - приём. Время пребывания оборудования в состояниях определяется: в состояниях II), ТБ пребывает г слотов; в РР^ - 1 слот; в ТЯ* и ТЯ>. - в соответствии с характером распределения информационного сообщения; в состоянии РЯ - 4В. слотов, что связано с топологией сети и маршрутом сигнала от передатчика к приёмнику и обратно, в ЯС) -от 4К до 4£ + г слотов. Оборудование выходит из состояний ТЯ с вероятностью р в конце последнего переданного слота и пребывает в состояниях ТВ. с вероятностью I - р

Определены количества станций в каждом из состояний, разработана вероятностная математическая модель для описания поведения данной цепи Маркова. Исходя из условия стационарности системы, а также из того, что сумма всех состояний для комплектов абонентского оборудования равна общему числу состояний рассматриваемого сегмента, получены соотношения для

нормированной пропускной способности: 5 =

1 Г

/V

х

ы

, где

)

входящие величины представляют собой количества станций в указанных состояниях; для задержки в обслуживании (в тайм-слотах):

£) = Л' + 4Д+^_/.(1-ф)'"1 -Ф + -; для вероятности состояния «Абонент недосту-

у-1 р

пен»: -РдбНед = 0 ~ ФУ; Для вероятности блокирования вызова: 1 Л

•Рбявш = , а также для введённого параметра степени соотношения

быстродействия оборудования и быстродействия сетевых процессов:

Л" х: Ытс +//„„+ Ул

К ЕЬ ■■

-

-V»

/ по-АП*у

На рис. 3 представлены некоторые зависимости, полученные на основе указанных соотношений.

--для 1/р = 10000 с;.....-для 1/р = 1000 с;--дляг=100мс; ......-для/-=10мс;

---------для 1/р = 100 с; -----------дляг=1мс;

Рисунок 3 - Зависимости нормированной пропускной способности (а) и приведённого отношения быстродействия (б)

Установлено, что наиболее приемлемые при построении сетей значения ШЬ лежат в диапазоне: от 1 мс до 0,1 с. Если необходимо работать с более длинными сообщениями, то целесообразно увеличивать время обработки г или выбирать более быстродействующее оборудование.

Предложена стратегия масштабирования рассматриваемого сетевого сегмента. Если сеть содержит N = КхМ узлов, то их следует расположить в К колонках (К> 1) и в М рядах (М> 1), где каждый узел имеет степень соединения, равную ВС. Расчёты показали, что звездообразная конфигурация с параметром ВС - 2, а также содержащая одну или две колонки, в общем случае имеет лучшие средние расстояния пролёта как для четного, так и нечетного количества узлов, следовательно, эти значения являются рекомендательными. Последних параметров также следует придерживаться при масштабировании, которое должно проводиться путём последовательного добавления узлов (либо последовательного добавления ряда узлов, в крайнем случае - последовательного добавления колонки). Необходимо учитывать, что первые М узлов в каждой колонке не будут нуждаться в перенастройке длин волн. Для следующих М узлов выполняются одна перенастройка (смещение по длине волны на один шаг), для следующих после них М узлов выполняется две перенастройки и так далее. Установлено, что при добавлении единственного ряда узлов к звездообразной сети с ВС £ 3 и общим количеством узлов, равным Ы, описанным выше спосо-

РС г

бом, общее количество перенастроек О окажется равным: п = ^ — х(г-1).

/«2 '-'£)С-1

Добавление более чем одного ряда к рассматриваемой сетевой топологии может быть выполнено последовательно (шаг за шагом) путем единовременного

добавления только по одному ряду до тех пор, пока не будут добавлены все ряды. Удаление ряда узлов из такой сети также может быть выполнено аналогичным образом.

Третья глава посвящена разработке подходов к увеличению количества каналов на абонентской части сети «РОИ-звезда». Предложено использовать схему либо на основе полностью оптических коммутаторов вида 1 хМ, включаемых ниже рассматриваемого звездообразного разветвителя, либо с применением ОТЮМ-мультиплексоров. Ввиду того, что сеть усложняется, разработаны математические модели маршрутизации сигналов (определения трафиковых долей потоков) с учётом возмущений для случая делимого на независимые пакеты трафика (абонентский трафик) и для неразделимого сигнала (сигнальные единицы протокола).

Известный подход к определению сигнальных маршрутов основан на требовании о минимизации взвешенной суммы межконцевых задержек ТГ} передаваемых (принимаемых) сообщений от передатчика ] к приёмнику I без учёта каких-либо возмущений и дополнительных задержек, вносимых оборудованием. В предложенном методе предполагается, что среднее время пребывания сообщения в линии между транзитными узлами (к, Г) зависит не только от длины сообщения |Д и величины математического ожидания пропускной способности линии £/, но и среднестатистического времени ожидания сообщения в очереди на узле с номером / а также среднестатистической

задержки, вызванной с искажениями (по физическим или алгоритмическим причинам) (я,-^:

причём = —\----г *'— + где - среднее время обработ-

ки одного информационного бита станционным оборудованием узла к . Здесь предполагается, что величина может варьироваться в зависимости от состояния реальной работоспособности аппаратуры данного узла. В этом случае для сети, где допустимо разделение заданного трафика у,- на искомые составляющие части е [0, 1]; предназначенные для передачи по линиям к, I = (1, Л'), для суммы межконцевых задержек (рис. 4) получено выражение:

N _N

N _N

/=| 7=|

N N

/=1 7=1

Из (2) видно, что параметр Г зависит от факторов искажений, а значит маршрутизацию можно выполнять исходя из реальных параметров линий передачи.

Рисунок 4 - Иллюстрация общей постановки задачи маршрутизации при ограничении

N N ^

('Л.

4=1 Ы

Ч 1=г, о, 1*1,Ъ 11=1

Для случая маршрутизации служебного сигнала (централизованная передача и неразделимость на трафиковые доли) предложено минимизировать значение алгоритмического джиттера:

•А/ ->шт

(3)

*=1 /=[ [_*=> '»1

где А? - значение длительности тактового интервала (А^ = 0,5 мкс), - интенсивность потока в линии. Задачу требуется решать при действии ограничения хь,и'Л е {0, 1}, /, 7, к ,1 = 1, 2, ..., Л/, в этой связи был применён метод релаксации Лагранжа (с введением неопределённых множителей Лагранжа о(а- < 0, к, I = 1, 2, ..., А7), что позволило решать задачу:

N N 4=1 Ы

0 пеРеме™ой «загрузкой линии»

"" 4=1 /=| ]

Рй. После преобразований было произведено разделение (3) на подзадачи:

N N

4=1 (=1 ^ 'Р*' N N (

^ 1 Рй

ьи

АГ 1-р,

- + Р4-

ы

а -

д/ к1 дг *' "

—>гшп.

• Ш1П

(4)

N N Г N N

ZEfr-ZZ^'h^' котоРые Решались с применением алгоритма

i=l 1=1 [ й Ы м J

Флойда. Соотношения (4), также как и (2), содержат факторы искажений, следовательно, нахождение оптимального пути для служебного сигнала по критерию минимизации его джитгера следует выполнять в зависимости от реальных параметров линий.

В четвёртой главе проведён вычислительный эксперимент по определению наиболее оптимальной топологии многодомешюго абонентского сегмента звездообразной PON исходя из предложенных ранее схем по критерию обеспечения наибольшего количества каналов при условии сохранения требуемой стандартами помехоустойчивости и надёжности передачи, т.е. с поддержкой QoS. Схема вычислительного эксперимента представлена на рис. 5.

ВХОДНЫЕ ДАННЫЕ

£

Иынтавдонн. модепнровяшешу входного цифрового сштш^ррг приходящего от OLT или Bgfaz

соседнего абонента

Í

СЕГМЕНТ: ТОПОЛОГИЯ И УСТРОЙСТВА

2). Выбран сегмент с начальной топологий i » 1:

а) дня стены с OTDM использовать 2 выходных канала;

б) для коммутационной схемы - ярусы 0 п 1; коммутаторы 1X2.

Í

4). Отражённая волна &

1

3). Свойства устройств Ш^п^УР,

абонентской teim-ine (jf¡,), (Я„)

iÍ¡S¡r

«и»

Матеыаготесхне мсделн процессов в сети

fc-ijí Г, Jr, Р„х)

Согласование со стандартами QoS и GoS

Да

Возврат к последней (предыдущей) тоаологнн

Вывод на печать указанной топологии

Наращивается топология: i := ¡f +- 1

а) для схемы с OTDM добавляется канал;

б) для коммутационной схемы добавляется степень разветвления

1х(» + 1)

I

Для коммутационной схемы возможно добавление яруса, степень разветвления остаётся прежней

Рисунок 5 - Схема вычислительного эксперимента

Для того, чтобы учесть параметры реального сигнала, было выполнено его моделирование на базе четырёх псевдослучайных последовательностей. Разработана методика статистического моделирования факторов искажений, введённых ранее, а также на их основе - вероятности битовых ошибок РЕвих с учётом отражений в линии и свойств входных сигналов; времени доставки сообщения до абонента Тф, зависящего от вероятности достоверного приёма, что связано в том числе с джиттером в служебном сигнале, и времени межконцевых задержек; вероятности безотказной работы, связанной с /г, и коэффициента готовности сети.

В результате эксперимента установлено, что лучшей топологией по установленным показателям является схема с ОТОМ, но схема на основе коммутаторов также является достаточно интересной. На рис. 6 представлен один из параметров С>о8 для исследуемых сегментов.

1 - схема ОТОМ с синхронизатором; 2, 3 и 4 соответствуют коммутационным схемам: 2 - схема с разнотипными коммутаторами, 3 - ярусное включение коммутаторов типа 1x16 и 4 - ярусное включение коммутаторов типа 1 х2 для получения того же количества каналов следует в данном случае использовать больше ярусов)

Рисунок б - Иллюстрация зависимостей времени доставки сообщения до абонента от количества каналов для рассматриваемых тополопиеских схем для случая 3х возможных

путей передачи трафика

Пятая глава посвящена методу сетевого подключения и расчёту параметров синхронизатора (рис. 7), необходимость применения которого совместно с ОТВМ-мультиплексором обоснована в результате вычислительного эксперимента.

Для решения задачи предложено использовать эффект фазовой кросс-модуляции (ФКМ), возникающий в волоконно-оптической петлевой линии, между импульсами подстраиваемого генератора (ПГ, А|) и импульсами, приходящими из полностью оптического сегмента сети (А2), рис. 7. В результате ФКМ импульс (А2) приобретает несимметричное изменение спектра, в результате чего появляется излучение в смещённой спектральной области (Аз). Причём указанный эффект не наблюдается, если первые два импульса не совпадают во времени; наблюдается слабо, если совпадает частично, и наблюдается максимально при их полном совпадении. Следовательно, генерируемый импульс можно использовать как инверсный сигнал ошибки или сигнал, характеризующий уровень рассинхронизации. Сигнал (12), поступающий на устройство 4 (рис. 7), предлагается выделять из низкоскоростного входного потока.

О 10

15 10 25 30 35 40 45 50 55 £

EDFA

Рисунок 7 - Полностью оптическая схема фазовой подстройки синхронизации: ПГ - подстраиваемый генератор, находящийся в составе СУГОМ-мультиплексора; 1 - управляющий блок лазера (Я. О подстраиваемого генератора; 2 - направленный разветвитель; 3 - разветвитель 2x2, два выходных порта которого соединены в волоконно-оптическую петлю небольшой длины; 4 и 5 - направленные \ТОМ-мультиплексоры; 6 - узкололосный усилитель

Методика расчёта параметров синхронизатора основана на применении решений волновых уравнений, описывающих динамику распространения импульса в направляющей среде типа одномодовый световод. Исходя из того, что ФКМ эффективна, когда импульсы перекрываются во временной области, а их длительность составляет 7о, то их «разбегание» во временной области при прохождении волоконной петли длиной Ь из-за различия групповых показателей преломления пг\ ^ пд не должно превысить их же длительность в волокне, т.е. АЗ, •/' < 9г -Т0, где ДЭ,, - разница в групповых скоростях, X - время движения импульсов по петле Ь, если считать, что ЗгЛ я 9Л к Зг из-за пг\ и пгг. Кроме этого желательно, что бы третий (Аз) импульс уже существенно отличался по спектру от импульса (Х2), т.е. что б его можно было надёжно отделить фильтром от А.] и от Х2> расположенным за разветвителем 3 (рис. 7). Отсюда получаем выраже-

ние, связывающее ряд параметров: Sai

2yL

2т, 1

Я+г-Д

•е'^где

Х = И, Г - время в системе отсчёта импульсов, 5Ш] и 5шг ~ 5сйз » 5© - спекло

тральная ширина, у - коэффициент нелинейности, P¡ и Р2 - пиковые мощности импульсов. В результате моделирования для световода SMF-28 получено, что для Ai = 1550 нм второй импульс должен быть Я2 » 1533 нм, а указанный фильтр должен обладать пропусканием в диапазоне: 1531,785 ... 1532,595 нм.

Результатом исследований явилась рекомендация применения разработанных топологий PON на сетях ООО «Телекоммуникационные системы» и ОАО «Уфанет», г. Уфа; а также в учебном процессе при постановке лабораторных работ в области моделирования сетевых процессов.

В заключении изложены основные результаты диссертационной работы.

В приложении представлены документы, подтверждающие применение результатов работы в учебном процессе в Уфимском государственном авиационном техническом университете, и при модернизации эксплуатирующихся цифровых сетей ОАО «Производственное объединение «ЕлАЗ», г. Елабуга, и на Региональном узле междугородних связей ОАО «Башинформсвязь», г. Уфа. Также представлен используемый в работе алгоритм поиска неопределённых множителей Лагранжа.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработан метод повышения эффективности функционирования сегмента пассивной оптической сети, который в отличие от традиционных методов построения оптических сетей основан на использовании звездообразного развет-вителя на абонентской части и нового протокола взаимодействия абонентов, позволяющий разгрузить ресурсы центрального (вышестоящего) сетевого узла в задаче взаимодействия абонентов между собой, а также увеличить скорость обработки информации. Предложенный протокол предполагает взаимодействие абонентов на основе их ^-адресов с учётом наиболее вероятных их текущих состояний. Установлено, что при взаимодействии на абонентском сегменте метод обеспечил возможность снижения времени доведения информации до абонента до 10 раз.

На основе разработанной модели взаимодействия абонентов по предложенному протоколу получены показатели эффективности работы предложенного сегмента. Разработаны стратегии маршрутизации на таком сегменте и его оптимального масштабирования по критерию получения наибольшего количества А.-каналов при условии минимизации числа перенастроек оборудования.

2. Предложен метод увеличения количества абонентских каналов на звездообразной оптической сети, который в отличие от традиционных средств повышения многоканальное™ сетей основан на применении многоярусного включения оптических коммутаторов типов от 1x2 до 1x16, а также применения ТОМ-мультиплексирования. Параметры схемы предложено рассчитывать в результате совместной оценки вероятности достоверного приёма сообщения, вероятности битовой ошибки и времени доставки сообщения до абонента. Метод позволил получить оптимальную топологию сети по критерию наибольшего количества каналов при условии обеспечения качества передачи по системе стандартов ОоБ и йоБ и при этом сохранить (не увеличить) степень узлового соединения.

3. Разработан метод определения трафиковых долей потоков и топологии много- и однопутевого графа, который в отличие от известного обеспечивает возможность совместного учёта случайных величин пропускной способности линий сетевого графа, длительностей ожидания сообщений в очереди и влияние внешних искажений (длительности такта), позволяющий находить опти-

малыше пути для передачи цифровых сигналов. Данный метод учитывает особенности передачи сигналов служебных подсистем, в частности, сигнала протокола RSVP, и предполагает оптимизацию по критерию минимизации джит-тера, а в случае передачи абонентских сигналов оптимизация проводится по критерию минимальной взвешенной суммы межконцевых задержек сообщений между произвольной парой абонентов. Применение метода позволяет снизить вероятность битовых ошибок в 11... 12 раз.

4. Разработана методика оценки и повышения значений показателей надёжности и помехоустойчивости системы телекоммуникаций, основанная на статистическом моделировании входных сигналов, реальных показателей надёжности и помехоустойчивости линий сетевого графа и топологических характеристик сети, позволяющая в рамках разработанных методов по определению параметров телекоммуникационных систем повышать эффективность функционирования абонентов в сети доступа с минимальным привлечением ресурсов центральной станции.

5. Разработан метод снижения девиации временного интервала в групповом абонентском сигнале, отличающийся от известных тем, что применено оптическое решение, содержащее волоконно-оптическую петлю и устройства преобразования оптического сигнала, действие которого основано на применении эффекта фазовой кросс-модуляции близких по длине волны оптических сигналов, позволяющий подстроить их фазу. Устройство обеспечивает подстройку синхронности абонентских сигналов и «маски» тактовых интервалов устройства TDM, что и обеспечивает снижение ДВИ в выходном сигнале на 30...35%.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ В рецензируемых журналах из списка ВАК

1. Султанов А.Х., Конюхова В.М., Виноградова И.Л. Подход к развитию абонентской части древообразных пассивных оптических сетей // Технологии и средства связи, -№ 4, 2010. - С. 68 - 70.

2. Султанов А.Х., Конюхова В.М., Виноградова И.Л. Задача масштабирования и оптимизации параметров звездообразного абонентского сегмента пассивной оптической сети // Вестник УГАТУ: научн. журн. Уфимск. гос. авиац. техн. ун-та. 2010. Т. 14, № 5 (40). С. 102-109.

3. Султанов А.Х., Конюхова В.М., Виноградова И.Л. Задача статистического моделирования параметра маршрутизации в цифровой системе передачи с учётом реальных показателей помехоустойчивости // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева: научн. журн. Казанск. гос. техн. ун-та. 2010, № 3. С. 174—182.

Монография

4. Султанов А.Х., Багманов В.Х., Конюхова В.М., Виноградова И.Л., Сали-хов А.И. Вопросы построения физической конфигурации полностью оптических систем передач. Монография. - Уфа: УГАТУ, 2010. - 188 с.

В других изданиях

5. Конюхова В.М. Метод применения звездообразного разветвигеля на пассивной оптической сети II Актуальные вопросы современной техники и технологии: Сб. докл. Международн. научн. заочн. конф. - Липецк, НПФ Липецкого технического университета, 2010, - с. 145 -151.

6. Султанов А.Х., Конюхова В.М., Филатов П.Е. Программа расчёта статистических параметров разделения графа виртуальной топологии и трафика на цифровой сети. Per. № 50201000373. Информационный бюллетень ВНТИЦ, Алгоритмы и программы, - № 4,2010. - РТО 8 с.

7. Султанов А.Х., Конюхова В.М., Виноградова И.Л. Программируемый маршрутизатор с элементами оптического управления // Всероссийский семинар по волоконным лазерам: Сб. докладов семинара. - Ульяновск, НПФ Ул-ГУ, 2010,-с. 211-213.

8. Султанов А.Х., Конюхова В.М., Виноградова И.Л. Подход к построению сегмента полностью оптической сети с независимым от протокола режимом коммутации // SPIE: Vol. 4589,2010, p.p. 634 - 645.

9. Конюхова В.М., Филатов П.Е. Вычислительный эксперимент по определению вероятности ошибки в системе PON-Ethernet II Информационно-вычислительные технологии и их приложения: Сб. докл. XI Международн. научн. техн. конф. Пенза, НПФ Пензенского технического университета, 2010,-с. 54-58.

10. Султанов А.Х., Виноградова И.Л., Конюхова В.М. Программа расчёта параметров работоспособности цифрового служебного сигнала. Per. № 50201000372. Информационный бюллетень ВНТИЦ, Алгоритмы и программы, - № 4, 2010. - РТО 8 с.

11. Конюхова В.М. Задача нахождения конструктивных параметров синхронизатора, обеспечивающих его функционирование в цифровой системе передачи. // Проблемы техники и технологии телекоммуникаций: Сб. докл. Десятой международной научн.-техн. конф. - Самара, 111 УТИ, 2009, -с. 54-57.

12. Конюхова В.М. Подход к построению лабораторного стенда, предназначенного для исследования режимов работы синхронизатора. // Проблемы техники и технологии телекоммуникаций: Сб. докл. Девятой международной научн.-техн. конф. - Казань, КГТУ, 2008, - с. 350 - 353.

Диссертант

В.М. Конюхова

КОНЮХОВА Валентина Михайловна

МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ СЕТЕЙ ГОРОДСКОГО МАСШТАБА С ПРИМЕНЕНИЕМ ОПТИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

Специальность 05.12.13 — Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 21.04.2011. Формат 60x84 1/16. Бумага обёрточная. Печать плоская. Гарнитура Тайме. Усл.печ.л. 1,0. Усл. кр.-отг. 1,0. Уч.-изд.л. 0,9. Тираж 100 экз. Заказ № 141

ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет Центр оперативной полиграфии 450000, Уфа - центр, ул. К. Маркса, 12

Таблица используемых сокращений

Таблица терминов ^

6

Глава 1. Анализ современного состояния сетей связи городского масштаба

1.1. Современный подход к построению телекоммуникационных систем городского масштаба ^

1.2. Базовые технические и топологические принципы построения сетей городского масштаба 9 ^

1.3. Система качества QoS и GoS и работоспособность волоконно-оптических систем передач 9 g

1.4. Постановка задачи исследований ^q

1.5. Выводы к главе I

Глава 2. Метод расширения функциональности древообразной архитектуры PON на основе звездообразного абонентского сегмента и независимого от центрального узла протокола маршрутизации 38

2.1. Задача расширения функциональности древообразной архитектуры PON с применением звездообразного разветвителя 3 8

2.2. Базовые положения для моделирования процесса взаимодействия абонентских узлов 43

2.3. Математическая модель взаимодействия абонентских узлов 47

2.4. Численное исследование результативности взаимодействия узлов на абонентском сегменте звездообразной PON 51

2.5. Стратегия масштабирования звездообразного домена абонентской подсети 54

2.6. Методика оценки параметров маршрутизации для звездообразной абонентской сети 58

2.7. Рекомендации по оптимизации параметров звездообразного домена 62 2.5. Выводы к главе II 65

Глава 3. Математическая модель процесса маршрутизации сигналов в цифровых сетях с учётом возмущений.

3.1. Методы увеличения количества каналов пассивной оптической сети

67 67

3.2. Анализ современных подходов к задаче маршрутизации цифровых сигналов 75

3.3. Задача статистического моделирования процесса альтернативной маршрутизации пакетов 78

3.4. Исследование влияния показателей помехоустойчивости сегментов на параметр маршрутизации в асинхронной сети 83

3.5. Методика нахождения QoS-показателей для системы передачи с алгоритмом RS VP 86

3.6. Задача однопутевой динамической маршрутизации пакетов 90

3.7. Выводы к главе III 96

Глава 4. Вычислительный эксперимент по определению оптимальной топологической схемы цифровой сети 98

4.1. Цель и методика проведения вычислительного эксперимента. 98

4.2. Методика статистического моделирования цифровых сигналов 103

4.3. Методика статистического численного моделирования влияния искажающих факторов на процесс маршрутизации цифровых сигналов 111

4.4. Результаты вычислительного эксперимента по нахождению оптимального сегмента для звездообразной PON 115

4.5. Выводы к главе IV 124

Глава 5. Способ обеспечения синхронизации полностью оптического мультиплексора с входным сигналом 126

5.1. Подход к построению синхронизированного с входным сигналом полностью оптического мультиплексора 126

5.2. Определение конструктивных параметров синхронизатора, обеспечивающих его функционирование в цифровой системе передачи 132

5.3. Рекомендации по использованию результатов, полученных в диссертации ' 138

5.4. Выводы к главе V 140

3 аключение 142

Список использованной литературы 145

Приложения 152

ТАБЛИЦА ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

All Optical Networks (полностью оптические сети) AON

Asynchronous Transfer Mode (асинхронная система передачи) ATM

Erbium Doped Fiber Amplifier (легированный эрбием волокон- EDFA ный усилитель)

Error probability (вероятность ошибки) РЕ

Grade of Service (качество обслуживания) GoS

Local Area Networks (локальная сеть) LAN

Metropolitan Area Networks (сеть городского масштаба) MAN

Multi Protocol Label Switching (мультипротокольная коммута- MPLS ция по меткам)

Next General Networks (сети следующего поколения) NGN

Number of error second (количество секунд с ошибками) NES Number of more error seconds (количество сильно поражённых секунд) NMES

Passive Optical Networks (пассивная оптическая сеть) PON

Quality of Service (качество услуг) QoS Synchronous Digital Hierarchy (синхронная цифровая иерархия) SDH (SONET) (Optical) Time Division Multiplexing (мультиплексирование с TDM (OTDM) разделением по времени)

World Area Networks (глобальная сеть) WAN

Wavelength Division Multiplexing WDM

Волоконно-оптическая линия передачи ВОЛП

Волоконно-оптическая система передачи ВОСП

Девиация временного интервала ДВИ

Кабельное телевидение КТВ

Многоканальная телекоммуникационная система МТС

Нормативно-техническая документация НТД

Оптоволокно ОВ

Телефонные сети общего пользования ТфОП

Фазовая кросс-модуляция ФКМ

ТАБЛИЦА ТЕРМИНОВ

Виртуальная сеть Сеть связи, элементы графа которой устанавливаются программным способом в соответствии с возможностями физической топологии Гетерогенная сеть Сеть связи, сегменты которой основаны на использовании различных стандартов, например, SDH и Ethernet

Джиггер в системе передачи Дрожание фазы импульсного цифрового сигнала с частотой свыше 10 Гц; при частоте дрожания ниже 10 Гц искажение именуется вандером Мультисервисное обслужи- Обслуживание с многими телекоммуникацион-вание ными услугами. Всегда должны быть представлены три базовые услуги: голос, видео и данные, а остальные - по возможности оператора и абонентского устройства Показатели качества Параметры систем стандартов QoS и GoS, характеризующие качество предоставления услуг (с точки зрения пользователя) и качество обслуживания (с точки зрения оператора) Полностью оптическая сеть Сеть связи, в которой производится передача сигналов только в оптической форме и преобразование их посредством оптических эффектов без участия электронных и оптоэлектрон-ных устройств

Работоспособность телеком- Критериями работоспособности являются по-муникационных систем мехоустойчивость и надёжность, характеризуемые соответственно вероятностью битовой ошибки, вероятностью безотказной работы и т.д.

Сеть следующего поколения Такая сеть, которая должна обеспечивать доставку сообщений до абонента независимо от свойств его терминала и месторасположения

ВВЕДЕНИЕ

В настоящий момент наиболее динамично развивающейся областью в . сфере телекоммуникационных систем являются сети городского масштаба [1] или Metropolitan Area Networks (MAN), представляющие как городские телефонные сети общего пользования (ТфОП), так ведомственные и корпоративные системы передач. Последние развились из локальных сетей предприятий (Local Area Networks — LAN) с появлением необходимости соединения удалённых корпусов, а также обеспечения выхода в Интернет и со временем плотно слились с ТфОП. Системы передачи типа MAN обладают такими характерными свойствами, как:

- уже достаточно значительной зоной покрытия с большим количеством узлов по сравнению с LAN, расположенных, как правило, в густо населённой территории с платёжеспособным населением, что даёт возможность вводить новые услуги и сервисы;

- умеренным по масштабу парком оборудования и ещё не слишком протяжёнными, по сравнению с глобальной сетью (World Area Networks - WAN), линейные сооружения, что позволяет гибко администрировать сеть в рамках единственного оператора или небольшой группы корпоративных операторов.

Всё это позволяет активно внедрять концепцию сетей следующего поколения (Next General Networks — NGN) [2], частично развивая сеть по области покрытия1 и в большей степени — по широте и разнообразию предоставления услуг, адаптируя в том числе импортные услуги в России, используя при этом сеть в качестве полигона.

Но из-за разнородности аппаратного парка, что связано с историей появления MAN, различием стандартов систем передач, использующихся на тех или иных сегментах сети, возможно, различными подходами операторов к созданию центральной (многоканальной) части или ядра сети, рассматриваемый тип сетей, как правило, обладает существенной гетерогенностью. Это далеко не всегда позволяет их оптимально эксплуатировать с точки зрения таких широко распространённых критериев, как «качество - цена» и «удельная стоимость передачи», не говоря уже о выработке пути эффективной модернизации.

Известные математические модели систем связи в основном направлены на решение трёх классов задач. Первый — исследование влияющих факторов на канал передачи данных, с последующим выбором алфавита источника, способа

1 Развитие зоны покрытия городской сети происходит в процессе присоединения к городу малоэтажных посёлков городского типа. помехоустойчивого кодирования и пр. (задача Шеннона) [3], многоканальных систем связи - добавляются исследования по ортогональности и условиям последующего разделения передаваемых сигналов [4]. Для систем связи с уплотнением по тайм-слотам — исследования по выбору оптимальной методики синхронизации [5], структуры схем подстройки частоты [6]. Второй класс задач посвящён расчету по мощности и дисперсионным искажениям оптоволоконных систем [7, 8] (длины регенерационного участка, Ree. G.681, G.692) с учётом потерь в световодных соединителях, разветвителях, на преобразование и т.д. для обеспечения требуемого уровня критериев качества передачи. В стационарном случае - вероятности битовых ошибок (РЕ или BER), в нестационарном добавляются: количество секунд с ошибками (NES) и количество сильно поражённых секунд (NMES). Параметры NES и NMES определяются экспериментально (по результатам эксплуатационных измерений) по факту превышения параметра РЕ над установленным значением и сравниваются с «масками» [9 - 14]: для «канала передачи данных» 0.3 > PEnes > 10"9, «канала передачи голоса» 0.3 > PENCs > Ю"6, для обоих типов каналов PEnmes > 0.3. Третий класс задач, бурно развивающийся в настоящее время, посвящён вопросам распределения трафика по сегментам сети с учётом приоритета передачи [15 - 18], представляющие собой задачи теории массового обслуживания [19]. Последнее приобретает актуальность в связи с перемещением центра тяжести телекоммуникационной техники в область систем с асинхронным (статистическим) мультиплексированием , показавших себя эффективнее систем SDH. Здесь исследуется эффективность распределения полосы пропускания между задачами абонентов, способы управления сетью исходя из имеющегося оборудования, построения виртуальных топологий на основе имеющейся физической и т.д. Для возможности обеспечения количественной оценки качества работы сети используются системы стандартов по качеству предоставления услуг (Quality of Service - QoS), ориентированной на абонента, и качеству обслуживания (Grade of Service - GoS) [18], ориентированной на оператора.

Известные математические модели критериев качества передачи, использующиеся при выборе сетевых решений, оптимизации архитектуры волоконно-оптических систем передач (ВОСП), построены без учёта неидеальности сигналов служебных подсистем, в том числе возможных внезапных (скачкообразных) изменениях работоспособности оборудования. Принципы перераспределения и маршрутизации трафика определено в руководящих и нормативно

2 То же самое - асинхронная система передачи (Asynchronous Transfer Mode - ATM). технических документах (НТД) [20, 21 и др.] и пр. без относительно к условиям эксплуатации системы телекоммуникаций, способов передачи сигналов служебных подсистем, архитектуры сети.

Существующие учебно-методические и инженерно-технические литературные источники [7 - 14, 22 — 28] и т.д., содержащие системный подход к описанию работы цифровых сетей, не отражают как характеристик реальных компонентных сигналов с возможными искажениями и уровнем шума, так и параметров работоспособности реально эксплуатируемой сети — статистического характера пропускных способностей, искажений логического и алгоритмического характера, влияния длительностей ожидания сообщений в очереди от технических параметров линий связи и узловой аппаратуры. Задача обеспечения качества передачи на требуемом уровне, как правило, решается путём неоправданного завышения системного запаса, а следовательно - стоимости передаваемого информационного бита. В известной литературе [1, 29 - 34] весьма мало рассматриваются вопросы решения сетевых задач с привлечением полностью оптических методов и эффектов, как повышающих эффективность управления сетью, так и позволяющие расширить адресацию системы по управлению.

Новые технические задачи, поставленные промышленностью перед системами передачи по увеличению скорости, объемов передаваемой информации, расширению областей технических приложений и эффективности, приводят к необходимости моделирования, последующей оптимизации и пересмотра принципов проектирования, управления и контроля сетью. В связи с этим построение новых инженерных методик проектирования и расчёта ВОСП, а также разработка методик оптимизации процессов взаимодействия сетевых элементов для MAN, принципов их построения и модернизации является актуальной технической задачей, а создание методов моделирования рассматриваемых процессов с учётом технической эксплуатации MAN, свойств оборудования и влияющих факторов — перспективным научным направлением. Диссертация посвящена разработке новых математических моделей, методик расчёта и схемотехнических моделей для волоконно-оптических сетей городского масштаба, повышающих эффективность их работы.

Основные результаты диссертационной работы получены с использованием положений теории графов, случайных процессов, дифференциальных уравнений. Применены методы математического моделирования, в том числе компьютерного. Проведён вычислительный эксперимент с использованием результатов эксплуатации действующей телекоммуникационной системы.

Объектом исследования являются волоконно-оптические сети, используемые для реализации абонентских окончаний.

Предмет исследования: теоретические, методические и практические вопросы повышения эффективности функционирования сетей типа PON с использованием полностью оптических решений.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработан метод повышения эффективности функционирования сегмента оптической сети, отличающийся от традиционных методов построения пассивных оптических сетей тем, что использован звездообразный развет-витель на абонентской части и дополнительный протокол взаимодействия абонентов в пределах сегмента (без задействования центрального узла) на основе их А,-адресов и с учётом наиболее вероятных текущих состояний.

2. Предложен метод определения параметров сетевой топологии оптической сети, отличающийся от известных тем, что при проведении расчётов параметров выполнена совместная оценка вероятности достоверного приёма сообщения, вероятности битовой ошибки на приёме сообщений и времени доставки сообщения до абонента.

3. Предложен метод маршрутизации сигналов, основанный на определении трафиковых долей потока с последующим выбором топологии для одно- и многопутевого графа, отличающийся от традиционных тем, что при проведении расчётов учтены эксплуатационные параметры цифровой сети.

4. Предложен метод снижения девиации временного интервала в групповом абонентском сигнале, отличающийся от известных сетевым использованием волоконно-оптической петлевой схемы, вырабатывающей оптический сигнал управления положением строб-сигнала для оптического мультиплексора.

Практическая ценность, состоит в повышении эффективности функционирования сегмента оптической сети посредством разгрузки ресурсов центрального (вышестоящего) сетевого узла в задаче взаимодействия абонентов на рассматриваемом сегменте, а также увеличения скорости обработки информации за счёт применения предложенного протокола и оптимальной сетевой топологии при условии сохранения помехоустойчивости и надёжности передачи на установленном нормативно-технической документацией уровне и обеспечении наибольшего количества каналов.

Новые научные результаты, выносимые на защиту:

1. Метод повышения эффективности функционирования сегмента оптической сети, разработанный на основе использования звездообразного раз-ветвителя на абонентской части и нового протокола взаимодействия абонентов, позволяющий разгрузить ресурсы центрального (вышестоящего) сетевого узла в задаче взаимодействия абонентов между собой, а также увеличить скорость обработки информации.

2. Метод увеличения количества абонентских каналов на звездообразной оптической сети, основанный на привлечении режима TDM-мультиплексирования с параметрами, рассчитываемыми в результате совместной оценки вероятности достоверного приёма сообщения, вероятности битовой ошибки и времени доставки сообщения до абонента, позволяющий получить оптимальную топологию сети по критерию обеспечения наибольшего количества каналов при поддержке качества передачи согласно действующим стандартам и обеспечивающая сохранение значения степени узлового соединения.

3. Метод определения трафиковых долей потоков и топологии много-и однопутевого графа, разработанный на основе совместного учёта случайных величин пропускной способности линий сетевого графа, длительностей ожидания сообщений в очереди и влияния внешних искажений, позволяющий находить оптимальные пути как для передачи абонентских сигналов, так и сигналов служебных подсистем по критерию минимизации взвешенной суммы межконцевых задержек сообщений и алгоритмического джиттера соответственно.

4. Методика оценки и повышения значений показателей надёжности и помехоустойчивости системы телекоммуникаций на базе вычислительного эксперимента, заключающаяся в статистическом моделировании входных сигналов и реальных показателей надёжности и помехоустойчивости линий сетевого графа, позволяющая проводить перерасчет пропускных способностей линий связи и трафиковых долей потоков для последующей адаптации сетевой топологии к конкретным условиям эксплуатации.

5. Метод снижения девиации временного интервала в групповом абонентском сигнале на основе применения волоконно-оптической синхронизирующей петли, обеспечивающий подстройку синхронности абонентских сигналов и «маски» тактовых интервалов устройства TDM посредством применения эффекта фазовой кросс-модуляции близких по длине волны оптических сигналов.

Основные результаты работы обсуждались на одиннадцатой международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций», г. Уфа, 2010; XI Международной научно-технической конференции «Информационно-вычислительные технологии и их приложения» г. Пенза, 2010; Международной научной заочной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии», г. Липецк, 2010; Всероссийском семинаре по волоконным лазерам, г. Ульяновск; а также на семинарах кафедр автоматизированных систем обработки информации и управления КГТУ им. А.Н. Туполева и телекоммуникационных систем УГАТУ. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, из них - три в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, монография и 8 работ в других изданиях, список которых приведен в конце автореферата.

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

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработан метод повышения эффективности функционирования сегмента пассивной оптической сети, который в отличие от традиционных методов построения оптических сетей основан на использовании звездообразного разветви-теля на абонентской части и нового протокола взаимодействия абонентов, позволяющий разгрузить ресурсы центрального (вышестоящего) сетевого узла в задаче взаимодействия абонентов между собой, а также увеличить скорость обработки информации. Предложенный протокол предполагает взаимодействие абонентов на основе их А-адресов с учётом наиболее вероятных их текущих состояний. Установлено, что при взаимодействии на абонентском сегменте метод обеспечил возможность снижения времени доведения информации до абонента до 10 раз.

На основе разработанной модели взаимодействия абонентов по предложенному протоколу получены показатели эффективности работы предложенного сегмента. Разработаны стратегии маршрутизации на таком сегменте и его оптимального масштабирования по критерию получения наибольшего количества А-каналов при условии минимизации числа перенастроек оборудования.

2. Предложен метод увеличения количества абонентских каналов на звездообразной оптической сети, который в отличие от традиционных средств повышения многоканальности сетей основан на применении многоярусного включения оптических коммутаторов типов от 1x2 до 1x16, а также применения ТБМ-мультиплексирования. Параметры схемы предложено рассчитывать в результате совместной оценки вероятности достоверного приёма сообщения, вероятности битовой ошибки и времени доставки сообщения до абонента. Метод позволил получить оптимальную топологию сети по критерию наибольшего количества каналов при условии обеспечения качества передачи по системе стандартов С)о8 и Оо8 и при этом сохранить (не увеличить) степень узлового соединения.

3. Разработан метод определения трафиковых долей потоков и топологии много- и однопутевого графа, который в отличие от известного обеспечивает возможность совместного учёта случайных величин пропускной способности линий сетевого графа, длительностей ожидания сообщений в очереди и влияние внешних искажений (длительности такта), позволяющий находить оптимальные пути для передачи цифровых сигналов. Данный метод учитывает особенности передачи сигналов служебных подсистем, в частности, сигнала протокола RSVP, и предполагает оптимизацию по критерию минимизации джит-тера, а в случае передачи абонентских сигналов оптимизация проводится по критерию минимальной взвешенной суммы межконцевых задержек сообщений между произвольной парой абонентов. Применение метода позволяет снизить вероятность битовых ошибок в 11. 12 раз.

4. Разработана методика оценки и повышения значений показателей надёжности и помехоустойчивости* системы телекоммуникаций, основанная- на статистическом моделировании входных сигналов, реальных показателей надёжности и помехоустойчивости линий сетевого графа и топологических характеристик сети, позволяющая в рамках разработанных методов по определению параметров телекоммуникационных систем повышать эффективность функционирования абонентов в сети доступа с минимальным привлечением ресурсов центральной станции.

5. Разработан метод снижения девиации временного интервала в групповом абонентском сигнале, отличающийся от известных тем, что применено оптическое решение, содержащее волоконно-оптическую петлю и устройства преобразования оптического сигнала, действие которого основано на применении эффекта фазовой кросс-модуляции близких по длине волны оптических сигналов, позволяющий подстроить их фазу. Устройство обеспечивает подстройку синхронности абонентских сигналов и «маски» тактовых интервалов устройства TDM, что и обеспечивает снижение ДВИ в выходном сигнале на 30.35%. »

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основополагающим результатом диссертационной работы является предложенный подход к модернизации PON — с применения звездообразного разветвителя вместо Y-образного, что при использовании совместно с разработанным алгоритмом взаимодействия узлов — по ^.-адресам, позволяет в значительной степени изменить процессы, происходящие в сети. Ввиду того, что данный тип сети является новым, разработана и исследована вероятностная математическая модель телекоммуникационных показателей работоспособности для неё. Данная модель получена с привлечением теории марковских цепей, позволяющей описать переход из состояния в состояние сетевого сегмента. Модель справедлива для равновесного состояния сети, когда количество входящих в то или иное состояние узлов приблизительно равно числу выходящих узлов.

Из-за того, что в предложенной сетевой схеме имеет место недостаточное количество каналов1, разработаны топологии, обеспечивающие наращивание ёмкости абонентского окончания. Разработаны математические модели для параметров однопутевой и альтернативной маршрутизации в рамках предложенных сегментов. На базе разработанных математических моделей проведён вычислительный эксперимент по определению наиболее оптимальной топологии по критерию обеспечения наибольшего количества каналов при условии сохранения качества обслуживания. Установлено, что с этой точки зрения наилучший результат достигается при использовании OTDM-мультиплек-сирования. Поэтому для снижения временных рассогласований во входных сигналах предложена схема полностью оптического синхронизатора. На основе оценок получены рекомендательные конструктивные параметры синхронизатора. Предложена методология полученных в диссертации результатов.

По завершению работы над диссертацией предполагается продолжить научно-исследовательскую деятельность в области построения и доводки инженерных методик расчета показателей работоспособности для сетей городского масштаба, для которых характерна альтернативная маршрутизация сообщений и управление с применением режима MPLS.

1 При использовании сегмента в качестве сети городского масштаба

1. Mukherjee В. Optical Communication Networks. Mc.Graw-Hill, 2005. - 576 p.

2. Сети следующего поколения NGN / под ред. A.B. Рослякова. М.: Эко-Трендз, 2008. - 424 с.

3. Галагер Р. Теория информации и надежная связь. США, 1968 г. Пер. с англ., под ред. М.С.Пинскера, Б.С.Цыбакова, М.: Советствкое радио, 1974. 720 с.

4. Теория электрической связи / А. Г. Зюко, Д. Д. Кловский, В.И. Коржик, М.В. Назаров; Под ред. Д.Д. Кловского. М.: Радио и связь, 1998.- 432с.

5. Стиффлер Дж.Дж. Теория синхронной связи. Пер. с англ. B.C. Цыбакова под ред. Э.М. Габидулина. М.: Связь, 1975. 486 с.

6. Линдсей В. Системы синхронизации в связи и управлении. Пер. с англ. Под. Ред. Ю.Н. Бакаева, М.В. Капранова. М.: Советское радио, 1972. 600 с.

7. ОСТ 45.104-97. Стыки оптические систем передачи синхронной цифровой иерархии. Стандарт отрасли. М.: ЦНТИ "Информсвязь". — 1997. — 27 с.

8. Сурков Ю.П. Нормы на электрические параметры цифровых каналов и трактов магистральных и внутризоновых первичных сетей. Под общей ред. МосквитинаВ.Д. М.: Резонанс, 1996. 106 с. Введены в действие Приказом № 92 от 10.08.96 Министерства связи РФ.

9. Алексеев Е.Б. Особенности технической эксплуатации волоконно-оптических систем передачи и сетей синхронной цифровой иерархии. Учебное пособие. М.: ИПК при МТУ СИ, 1999 г. - 183 с.

10. Слепов Н. Н. Синхронные цифровые сети SDH. — М.: Издательство Эко-Трендз, 2000. 148 с.

11. Рекомендация МСЭ-Т G.822. Нормы на частость управляемых проскальзываний на международном цифровом соединении. М.: ЦНТИ "Информсвязь". 1996. - 32 с.

12. Рекомендация МСЭ-Т G.825. Нормирование дрожания и дрейфа фазы в цифровых сетях, основанных на базе синхронной цифровой иерархии. М.: ЦНТИ "Информсвязь". 1997. - 41 с.

13. Правила технической эксплуатации первичной сети взаимоувязанной сети связи Российской Федерации. Руководящий документ. Кн. 1, 2 М.: ЦНИИС, 1998 г.-138 с.

14. Колтунов М.Н., Рыжков A.B. Организация системы тактовой сетевой синхронизации на ведомственных и корпоративных цифровых сетях связи. // Электросвязь, №7, 2001. с. 21 - 25.

15. Современные компьютерные сети. 2-е изд. / В. Столлингс. — СПб.: Питер, 2003.-783 с.

16. Вишневский В.М. Теоретические основы проектирования компьютерных сетей. -М.: Издательство Техносфера, 2003. 512 с.

17. Донн Аннабел 3. Мир телекоммуникаций. Обзор технологий и отрасли / Пер. с англ. -М.: ЗАО «Олимп-Бизнес», 2002. 400 с.

18. Ершов В.А., Кузнецов H.A. Мультисервисные телекоммуникационные сети. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. - 432 с.

19. Теория ТЕЛЕТРАФИКА / Ю.Н. Корнышев, А.П. Пшеничников, А.Д. Хар-кевич. М.: Радио и связь, 1996. - 272 с.

20. Положения по построению мультисервисных сетей Электронный документ. Режим доступа: http://www.pravoteka.ru/pst/51/25308.html.

21. Руководящие и нормативно-технические документы в области электросвязи Электронный документ. Режим доступа: http://www.sstek.ru/Kursy.htmI .

22. Волоконно-оптическая техника: история, достижения, перспективы / Сборник статей под ред. Дмитриева С. А\, Слепова Н. Н. — М.: Издательство «Connect», 2000. 376 с.

23. Гальярди Р. М., Карп Ш. Оптическая связь: Пер. с англ. /Под ред. А. Г. Шереметьева. М.: Связь, 1978. - 424 с.

24. Р 45.09-2001. Рекомендация отрасли по присоединению сетей операторов связи к базовой сети тактовой сетевой синхронизации, М.: Минсвязи России, 2001.-46 с.

25. Алексеев Е.Б. Основы технической эксплуатации современных волоконно-оптических систем передачи. Учебное пособие. М.: ИПК при МТУ СИ, 1998 г.-224 с.

26. ГОСТ 26886-86. Стыки цифровых каналов передачи и групповых трактов первичной сети ЕАСС. Основные параметры. Государственный стандарт. М.: ЦНТИ "Информсвязь". 1986. - 46 с.

27. Рекомендация МСЭ-Т G.703. Физические и электрические характеристики иерархических цифровых стыков. М.: ЦНТИ "Информсвязь". 1988. - 63 с.

28. Руководящий технический материал по применению систем и аппаратуры синхронной цифровой иерархии на сети связи Российской Федерации. Принят Решением ГКЭС России от5.03.1994г. №74,М.:ЦНИИС. -1994.-78с.

29. Иванов А.Б. Волоконная оптика: компоненты, системы передачи, измерения. — М.: Компания Сайрус-Системс, 1999. — 670 с.

30. Kaminov LP. Optical Fiber Telecommunications: Components of Systems. -Boston: Academic Press, 2006. — 876 p.

31. Гордиенко B.H., Тверецкий M.C. Многоканальные телекоммуникационные системы: учебник для вузов. — М.: Горячая линия-Телеком, 2005. — 416 с.

32. Кившарь Ю. С., Агравал Г. П. Оптические солитоны. От волоконных световодов до фотонных кристаллов / Пер. с англ. под ред. H. Н. Розанова. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. 648 с.

33. Broeng J.A., Bjarklev A.S. Photonic crystal fibers. Kluwer: Academic Publishers, 2003.-p. 266.

34. Agrawal G.P., Boyd R.W. Contemporary nonlinear optics. Boston: Academic Press, 2002. - 478 p.

35. Бакланов И.Г. ИКМ/PDH/SDH/ATM: технология и практика измерений. -M.: Изд-во ЭКО-ТРЕНДЗ, 2001. 348 с.

36. Беллами Дж. Цифровая телефония. М.: Радио и связь, 1985. - 358 с.

37. Основные положения развития взаимоувязанной сети связи Российской Федерации на перспективу до 2005 года. Руководящий документ. Кн. 1,2-М.: ЦНИИС, 1996 г. 142 с.

38. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов. 2-е изд. / В.Г. Олифер, H.A. Олифер. СПб.: Питер, 2003. - 864 с.

39. Построение и эксплуатация полностью оптических сетей. / А.Х. Султанов, И.Л. Виноградова. Уфа: УГАТУ, 2008. - 136 с.

40. Гаскевич Е. Л., Убайдуллаев Р. Р. PON широкополосная мультисервисная сеть доступа // ТелеМультиМедиа, 2002. - № 2. — С. 21 - 25.

41. Петренко И. И., Убайдуллаев Р. Р. Сети PON. Архитектура // LIGHTWAVE, № 1,2004.-С. 226-231.

42. Гольдштейн А.Б., Гольдштейн Б.С. Технология и протоколы MPLS. СПб.: БХВ Санкт-Петербург, 2005. - 304 с.

43. Проблемы, стоящие перед оптическими уровнями управления, должны привести к распространению их интеллектуальных возможностей на фотонный уровень Электронный документ. — Режим доступа: http://www.newtech.kz/page.php7page id=371 ¿¡clangsl&article id=312.

44. Хелд, Гилберт. По скоростной магистрали с ветерком: коммутация и маршрутизация Электронный документ. Режим доступа: http://www.xserver.ru/computer/nets/razn/27/.

45. Липпис, Ник. Явление маршрутизирующего коммутатора Электронный документ. Режим доступа: http://www.xserver.rU/computer/nets/razn/3О/.

46. Ганьжа, Д. Технологии оптического мультиплексирования WDM и DWDM Электронный документ. Режим доступа http://www.osp.ru/lan/2000/04/131032/ р 1 .html.

47. Гауэр Дж. Оптические системы связи: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1989.- 504 с.

48. Игнатов В.А. Теория информации и передачи сигналов: Учебник для вузов.- 2-е изд., М.: Радио и связь, 1991. - 322 с.

49. Математические методы в теории надёжности / Б.В. Гнеденко, Ю.К. Беляев, А.Д. Соловьёв. М.: Наука, 1965. - 524 с.

50. Убайдуллаев P.P. Волоконно-оптические сети. М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 2000. -267 с.

51. Султанов А.Х., Багманов В.Х., Конюхова В.М., Виноградова И.Л., Салихов А.И. Вопросы построения физической конфигурации полностью оптрие-ских систем передач. Уфа.: УГАТУ, 2010.- 188 с.

52. Султанов А.Х., Конюхова В.М., Виноградова И.Л. Подход к развитию абонентской части древообразных пассивных оптических сетей // Технологии и средства связи, № 4, 2010. - С. 68 - 70.

53. A.c. 1697035 СССР, МКИ5 G 02 В 6/28. Волоконно-оптический разветви-тель / P.A. Тухватуллин, Л.Е. Виноградова, И.Л. Виноградова, С.П. Ржевский, Бюлл. №45.- 1991.

54. Проектирование компонентов для полностью оптических сетей: учебное пособие / И. Л. Виноградова; Уфа: УГАТУ, 2008. - 140 с.

55. Шнепс M.А. Численные методы теории телетрафика. М.: Связь, 1974. -232 с.

56. Гихман И.И., Скороход A.B. Теория случайных процессов. Т. 2. - М.: Наука, 1973. - 432 с.

57. Методика кодирования сетевого адреса узла связи на примере сети Ethernet / А.Х. Султанов, P.P. Гайфуллин, H.JI. Виноградова // Инфокоммуникацион-ные технологии. 2007. № 6. С. 56-60.

58. Султанов А.Х., Конюхова В.М., Филатов П.Е. Программа расчёта статистических параметров разделения графа виртуальной топологии и трафика на цифровой сети. Per. № 50201000373. Информационный бюллетень ВНТИЦ, Алгоритмы и программы, № 4, 2010. - РТО 8 с.

59. Интеллектуальные сети и компьютерная телефония / Е.И. Полканов, М.А. Шнепс-Шнеппе, C.B. Крестьянинов. -М.: Радио и связь, 2001. 240 с.

60. Виноградова И.Л. Моделирование волоконно-оптических линий связи и преобразователей с интерферометром Фабри-Перо: Дис. канд. техн. наук: 05.13.16. Защищена 14.06.2000; Утв. 11.11.2000. - Уфа, 2000. - 205 с.

61. Султанов А.Х., Конюхова В.М., Виноградова И.Л. Программируемый маршрутизатор с элементами оптического управления // Всероссийский семинар по волоконным лазерам: Сб. докладов Семинара. Ульяновск, НПФ УлГУ, 2010,-с. 211-213.

62. Султанов А.Х., Акульшин В.Н., Виноградова И.Л. Методы повышения работоспособности сетей связи с системой сигнализации ОКС № 7 в процессе эксплуатации. М.: Радио и связь, 2006. - 278 с.

63. Автоматическое управление, Ройтенберг Я.Н.: Учебное пособие, изд. 2-е, перераб. и дополн. М.: Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1978. — 552 с.

64. Султанов А.Х., Конюхова В.М., Виноградова И.Л. Подход к построению сегмента полностью оптической сети с независимым от протокола режимом коммутации // SPIE: Vol. 4589, 2010, p.p. 634 645.

65. Куроуз Дж., Росс К. Компьютерные сети. 2-е изд. СПб.: Питер, 2004. -765 с.

66. Г. Корн, Т. Корн Справочник по математике М.: Наука, 1974. - 831 с.

67. Султанов А.Х., Виноградова И.Л., Конюхова В.М. Программа расчёта параметров1 работоспособности цифрового служебного сигнала. Per. № 50201000372. Информационный бюллетень ВНТИЦ, Алгоритмы и программы, № 4, 2010. - РТО 8 с.

68. Волоконно-оптические системы передачи: вопросы оценки работоспособности / Султанов А. X., Усманов Р. Г., Шарифгалиев И. А., Виноградова И. Л. -М.: Радио и связь, 2005. 372 с.

69. Agrawal G.P. Nonlinear fiber optics. Boston: Academic Press, 2001. — p.466.

70. Islam M.N. Phases cross modulation pulses. // Optical Letters, № 12, 1997. -P.p. 625-631.

71. Дмитриев В.Г., Тарасов Л.В. Прикладная нелинейная оптика. 2-е изд. -М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. - 512 с.

72. Матвеев А.Н. Оптика: Учеб. пособие для физ. спец. вузов. — М.: Высшая школа, 1985.-351 с.

73. J. Skidmore, Е. Wolak, Т. Strite. Advances in pump lasers enable low-cost, high-efficiency EDFAs. WDM Solutions, 2003.

74. Правила устройства электроустановок. Шестое издание с изм. и доп., принятыми Главгосэнергонадзором РФ. С.-Петербург: изд-во «Деан», 2000. -926 с.

75. Средство виртуального моделирования Электронный документ. Режим доступа http://www.osp.ru/os/1997/06/179338/.

76. Вознесенский В.А. Статистические методы планирования эксперимента в технико-экономических исследованиях. М.: Финансы и статистика, 1991. -256 с.

77. Dijkstra E.W. A note on two problems in connection with graphs // Nummer. Math.- 1959. -№ l.-P. 269-271.