ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

Холод Леонід Миколайович

УДК 621.396.6.08

Оптимизація процедур вимірювання стану

мережних елементів телекомунікаційних систем

05.12.02 Телекомунікаційні системи та мережі

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків-2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі “Телекомунікаційні системи” Харківського національного університету радіоелектроніки.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Коляденко Юлія Юріївна,

докторант кафедри “Телекомунікаційні системи”

Харківського національного університету

радіоелектроніки,

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Беркман Любов Наумівна,

завідувач кафедри „Телекомунікаційні системи”

Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій (м. Київ),

кандидат технічних наук, доцент

Батаєв Олег Петрович,

доцент кафедри “Транспортний зв’язок ” Української державної академії залізничного транспорту (м. Харків).

Провідна установа: Одеська національна академія зв`язку ім. О.С.Попова,

кафедра автоматичного електрозв`язку Державного

комітету зв`язку та інформатизації України, м. Одеса.

Захист відбудеться “22” грудня 2004 р. о 15.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.03 при Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м.Харків, пр.Леніна 14, ауд. 13.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166 м.Харків, пр.Леніна. 14.

Автореферат розісланий “15” листопада 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.М.Безрук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасні телекомунікаційні системи, які будуються за технологіями PDH, SDH, ATM є складними організаційно-технічними системами, що містять підсистеми управління, підсистеми забезпечення якості, підсистеми сигналізації, синхронізації і т.д. Метрологічні підсистеми носять як самостійне значення і застосовуються, як правило, для забезпечення інформацією осіб, що приймають рішення (ОПР), так і часто вони відіграють підлеглу роль, являючи собою складову невід'ємну частину більш загальної підсистеми, наприклад підсистему управління в ТКС. Саме в задачах управління процедури вимірювання відіграють принципову роль. В даний час розроблено декілька глобальних проектів управління ТКС, серед яких: технологія TMN, технологія TINA та ін. Відомо, що для того, щоб системою можна було управляти, вона має бути доступною для спостереження. Для будь-якої технічної системи спостереження за станом цієї системи включає процедури одержання вибіркових статистик, обробку цих статистик та одержання відповідних ефективних, чи, принаймні, незміщених оптимальних оцінок випадкових величин, процесів чи полів, що вимірюються.

ОПР від метрологічної системи одержують необхідну інформацію для своєчасного ухвалення рішення про резервування, переходу в той чи інший режим, або виконання інших процедур на основі статистики, що одержується.

Повний цикл від часу спостереження до виконання прийнятого рішення має досить велику тривалість і, звичайно, складає від декількох хвилин до десятків хвилин, а іноді і декілька годин. Таке управління застосовується, як правило, при збоях, несправностях у ТКС і як наслідок – призводить до відповідних перерв і втрат надійності. Зважаючи на те, що вимоги по надійності дуже високі, то стає очевидним, що такі перерви і втрати зв'язку стають неприпустимими.

Актуальність теми визначає той факт, що метрологічна підсистема в рамках системи управління (СУ) досить інерційна, а сучасні СУ потребують великої швидкодії. Тому сучасні СУ не можуть бути цілком впроваджені. Оскільки на кожному з етапів виконання процедур вимірювання втрачається відповідний час, необхідно ці часові втрати мінімізувати. Дана робота присвячена актуальній на даний час задачі оптимізації процедур вимірювання і виконувалась згідно з науковими планами і темами.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Робота виконувалась відповідно до Концепції розвитку ЄНМЗ в Україні, планами перспективного розвитку ВАТ “Укртелеком” і його Харківської філії, зокрема відповідно до рішення Правління ВАТ “Укртелеком” № 8 від 10.06.2003 р. Крім того, результати роботи були використані в науково-дослідних роботах кафедри телекомунікаційних систем Харківського національного університету радіоелектроніки, що виконувалися по держбюджетному і госпрозрахунковому планах. Зокрема, вони використані в НДР 183-1 держ. реєст. № 0104U004072, де знайшли відображення аналіз і синтез алгоритмів оцінювання параметрів в ТКС, і НДР 03-16 держ. реєст. № 0103U004932, де автор розмістив свої матеріали щодо оптимізації процедур вимірювання випадкових процесів і параметрів сигналів на фоні завад.

Мета і задачі досліджень. Метою досліджень є оптимізація процедур вимірювання для використання їх у задачах управління мережними елементами і мережею в цілому.

Задачами дослідження є:

1. Вибір найбільш ефективних для використання в процедурах управління телекомунікаційними системами методів вимірювань і контролю режимів сучасних ТКС.

2. Вибір основних і додаткових параметрів вимірювання для їх використання в системі управління ТКС.

3. Розробка методики вимірювання параметрів сигналів і параметрів системи на фоні завад.

4. Аналіз ефективності запропонованих процедур і методів вимірювання.

Об'єктом досліджень є процес модернізації метрологічних технологій телекомунікаційних систем.

Предметом досліджень є процеси вимірювання параметрів телекомунікаційних систем в задачах управління мережею.

Методами досліджень є: елементи системного аналізу, прикладна математика, методи оптимізації, математична статистика, теорія ймовірності, теорія масового обслуговування, теорія оцінок і управління, математичне моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що

1.

2.

3.

4.

5.

Практична значимість результатів. Отримані наукові результати мають практичну значимість, оскільки вони орієнтовані на подальше втілення в реальні системи зв'язку, зокрема, у Харківській філії ВАТ “Укртелеком”, де на даний час прийняті рішення про використання технології управління TMN. Матеріали дисертаційної роботи також використані в навчальному процесі кафедри телекомунікаційних систем ХНУРЕ, зокрема, у підручнику кафедри ТКС.

Особистий внесок здобувача. Робота виконана на кафедрі телекомунікаційних систем ХНУРЕ. Основні результати роботи належать особисто автору і цілком опубліковані в фахових виданнях [1,2,…,11].

У роботах, які виконано у співавторстві, особисто автору. належать наступні наукові результати:

1. У роботі [2] автору належить ідея формування сигналів і передачі їх з надлишковою базою з подальшим зниженням розмірності, приймаючи які можна відповідно зменшити дію завад.

2. У роботі [3] автору належить методика аналізу і проведення аналізу впливу зосереджених модульованих завад на якість прийому цифрових сигналів.

3. У роботі [5] автору належить проведення аналізу ефективності багатоканального вимірника.

4. У роботі [6] автором проведено вибір моделей нелінійних елементів радіотрактів.

5. У роботі [7] автору належать вимірювання на волоконно-оптичних системах передачі й ідея використання трансверсального фільтра для вимірювання параметрів систем WDM.

6. У роботі [8] автору належить розробка схеми аналізатора ліній сигналізації.

7. У роботі [9] автору належить організація вимірювань і обробки результатів в системі управління.

8. У роботі [10] автору належить синтез алгоритму обробки сигналів при неповних вимірюваннях.

9. У роботі [11] автору належить проведення аналізу точності рекурсивних оцінок випадкових процесів в системах управління.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертації доповідались на 3-х науково-технічних конференціях міжнародного рівня: Міжнародна науково-практична конференція. “Системы и средства передачи и обрабртки информации” 2003 р. м.Одеса, 9-та Міжнародна наукова конференція "Теория и техника передачи, приема и обработки информации" 2003 р. м.Туапсе, 10-та Міжнародна наукова конференція "Теория и техника передачи, приема и обработки информации" 2004 р. м.Туапсе.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 11 робіт, у тому числі 8 робіт у спеціалізованих виданнях ВАК України [3,4,5,6,7,8,9,10]. Усі роботи за темою дисертаційної роботи. Крім того, ці матеріали були опубліковані в тезах доповідей на конференціях [1,2,11].

Структура й обсяг роботи. Робота складається зі вступу, 5-ти розділів, висновків по роботі, списку використаних джерел і додатка. Загальний обсяг дисертації 185 сторінок: 137 стор. основного тексту, 59 рисунків, 83 джерела бібліографічного огляду, 1 додаток.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми досліджень, наукова новизна, практичне значення отриманих результатів, дано інші необхідні характеристики дисертаційної роботи.

У першому розділі проведено аналіз існуючих методів вимірювання в системі управління, Аналіз показав, що системи управління TMN, ТINA поки ще залишаються нереалізованими повною мірою не тільки в нашій країні, але й інших країнах світу. Виділено три причини, що перешкоджають впровадженню СУ.

Першою причиною є великі часові втрати на шляху вимірювання-обробка-управління (рис.1). Інформація про стан , яка вимірюється, надходить у блок оцінки, де здійснюється її статистична обробка . Далі оброблена інформація надходить на диспетчерський пульт оператора. Інформація зберігається в базі даних і реєструється в черговому журналі. Ухвалення рішення про резервування, переключення режимів і т.д. здійснюється ОПР. При цьому найбільші втрати часу для прийняття рішень приходяться на обробку вибіркової статистики і на реакцію ОПР.

Сучасні СУ в ТКС повинні бути автоматичними і працювати в режимі реального часу, . Аналіз показує, що автоматизація дозволить здійснювати реакцію системи на вплив, що становить (10…100)мс. Домогтися такого скорочення часу можна лише при рекурсивній обробці статистики, що надходить від вимірювального пристрою і при управлінні відповідними елементами чи їх параметрами в реальному часі .

Другою причиною, що перешкоджає впровадженню СУ, є завади при вимірюванні і передачі сигналів по каналу зв'язку. Завади можуть мати різну фізичну природу і різну ймовірносно-часову структуру. Типовою, що завжди має місце завадою є білий гаусівский шум. Його джерелом є теплові шуми елементів і лінії зв'язку, неточності відліків та ін. Білий гаусівський шум погіршує якість оцінки і її точність. Крім білого гаусівського шуму часто діють так звані “пофарбовані шуми” , зосереджені по спектру корисного сигналу. Ними можуть бути завади від сторонніх джерел чи сусідніх каналів зв'язку. Наявність таких завад може цілком спотворити статистику. Тому боротьбі з даним класом завад необхідно приділяти особливу увагу.

Третьою причиною, що стоїть на шляху впровадження СУ є великий перелік об'єктів вимірів і набір параметрів виміру. Так, якщо технологія PDH передбачає 7 груп вимірів, SDH передбачає 90 груп вимірів, то технологія АТМ концептуально, не включаючи невідомі поки що групи вимірів, передбачає вже 625 груп. Крім того, самі параметри вимірів є більш складними. При цьому необхідний більший час на їх доставку до засобів обробки, їх обробку і використання. Використання багатьох статистик одночасно ґрунтується на необхідності застосування багатокритеріальних процедур, стійкість і якість яких може виявитися не високими.

У зв'язку з цим виникає задача оптимізації вимірювальних процедур і правильної організації вимірів.

В другому розділі зроблено вибір найбільш важливих параметрів вимірів і процедур оцінки стану в системі управління ТКС.

На відміну від великого обсягу традиційних числових і смислових характеристик і параметрів, у сучасних методах метрології використовуються в основному ті, які відображають стан додатків і визначають реальну продуктивність цих додатків та мережі в цілому. У нових технологіях АРМ використовуються, в основному, тільки дві характеристики: доступність і реакція відклику.

Проведено формалізацію задачі вимірів. Вона складається з 4-х головних етапів:

1) вибору математичної моделі, яка відображається стохастичними диференційним чи різницевим рівняннями стану:

(1)

для випадкових процесів, і

(2)

для випадкових величин;

2) вибору рівняння спостереження з нелінійною залежністю

(3)

чи з лінійною:

(4)

3) вибору рекурсивної процедури оцінки випадкового процесу:

, (5)

чи для випадкової величини

(6)

4) вибору якісного показника – апостеріорної дисперсії похибки оцінки - похибка:

(7)

Представлений формалізм діє в межах процедур Калмана-Б`юсі. В роботі надаються рекомендації щодо особливостей використання моделей (1) чи (2).

Проаналізована якість алгоритмів оцінки випадкових величин та випадкових процесів. Обидві процедури мають сталий режим, що забезпечується тим, що функції чи відповідають умовам Дворецького. Процедура (6) сходиться до істинного значення випадкової величини з нульовою похибкою при . У той же час процедура (5) сходиться до сталого стану з відмінною від нуля похибкою, що є рішенням рівняння (7) при .

Проаналізована також якість оцінок процедури (5) при відхиленнях обраної моделі від реальної. Аналіз показав, що чим більше відхилення, тим більша похибка оцінки. Так при розбіжності параметрів на порядок і більше процедура може розходитись. Характерно, що розрахунок моделі на більш широкосмуговий процес дає менші втрати, ніж для протилежного випадку, що є важливою практичною рекомендацією.

У третьому розділі запропоновані методи виміру параметрів цифрових каналів на фоні зосереджених завад.

Розглянуто можливість використання для процедур виміру параметрів ТКС методу зниження розмірності простору представлення сигналів як універсального методу їх обробки. Даний метод дозволить на десятки децибел підвищити відношення сигнал/(завада+шум) (ВСЗШ) на вході вимірника, що тим самим підвищить вірогідність результатів вимірів. Даний метод може бути реалізований як для вимірів радіочастотних систем у вигляді адаптивних антенних решіток (ААР) і адаптивних компенсаторів завад (АКЗ), так і для провідних систем передачі, де використовується в якості середовища поширення електричний кабель чи волоконно-оптичні лінії зв'язку.

Розроблено загальну структурну схему (рис.2) прийому -позиційного широкосмугового сигналу . При використанні -позиційної псевдовипадкової послідовності (ПВП) і при збігу цієї ПВП з опорною еквівалентне співвідношення сигнал/шум на виході загального суматора при відомій ПСП збільшується в базу раз, чим і досягається підвищення завадозахищенності прийому в базу разів.

Розглянуто принципи побудови АКЗ і методи виміру параметрів ТКС на фоні ехо-сигналів. Схема використання у вимірнику АКЗ надана на рис.3. Показано, що ефективність алгоритмів істотно залежить від потужності завад в опорному каналі і може досягати 20...30 і більш децибел. Близькі до потенційно можливих значення ВСЗШ на виході АКЗ можна одержати лише при перевищенні потужності завади в опорному каналі прийому (ОКП) на 6...10 дБ відносно рівня завади в основному каналі (рис.4). Показано, що ефективність алгоритмів АКЗ із збільшенням кроку обробки знижується на значну величину, 15 дБ і більш. Верхня крива (рис.4) відповідає випадку, коли крок на інтервалі кореляції складає . Зі збільшенням кроку, коли на цьому інтервалі всього 1 крок (середня крива) чи коли крок містить 2 інтервали кореляції (нижня крива), відбуваються значні втрати ефективності, які досягають 10 дБ.

Відомо також, що домогтися повної відсутності корисного сигналу в ОКП дуже важко. Це призводить до втрат ефективності АКЗ, тому що разом з завадою компенсується і корисний сигнал. На рис. 5 показана залежність ВСЗШ на виході АКЗ від рівня корисного сигналу в ОКП стосовно рівня сигналу в основному каналі . Верхня крива відповідає Pз.оп/Pз.ос=10 дБ; середня крива – Pз.оп/Pз.оc=6 дБ; нижня крива – Pз.оп/Pз.оc=0 дБ. Хід кривих свідчить про те, що просочування сигналу в ОКП призводить до втрати ефективності АКЗ. При цьому, якщо рівень завади в ОКП вище, ніж в основному тракті, втрати не настільки помітні, як при тотожності цих рівнів.

Розглянуто алгоритми ААР, що функціонують за критеріями мінімума середньоквадратичного відхилення та максимума відношення сигнал/завада та їх застосування для вимірників параметрів радіочастотних систем.

Показано, що існуючі на даний час методи виміру параметра похибки BER не враховують наявність завад у радіочастотному каналі, наведень на вимірювальне устаткування від інших радіопередаючих пристроїв, нелінійні спотворення та ін. Унаслідок цього реальний BER буде значно завищено, а для досягнення необхідного параметра потрібне підвищення потужності корисного сигналу. Однак, тенденція постійного ускладнення електромагнітної обстановки припускає знаходження додаткових методів завадозахисту систем і ліній зв'язку. У даній роботі пропонується використання багатоканального вимірника (рис.6), здатного знизити вплив завад.

Показано, що існують реальні системи і комплекси зв'язку, де може використовуватися багатоканальний вимірник. Проведено аналіз якості вимірів багатоканальним вимірником параметра BER і показано, що для багатоканального вимірника потрібно менше значення ВСЗШ для забезпечення необхідного BER. Також багатоканальний вимірник здатний подолати досить великі, порядку 10 дБ наведення.

Проведено аналіз впливу нелінійностей вхідних трактів прийому на ефективність багатоканальних вимірників. Аналіз показав, що можна виділити три характерні випадки:

1) випадок слабкого впливу нелінійності, коли рівні нелінійних спотворень складають не більше п'яти відсотків;

2) проміжний випадок, у деякому сенсі перехідний, коли рівні нелінійних спотворень складають від п'яти до десяти відсотків;

3) крайній випадок, коли нелінійні спотворення настільки великі, що спектральна щільність потужності сигналів на виході нелінійного елемента втрачає первісний вигляд, збагачуючись як високочастотними складовими, так і субгармоніками. При цьому рівні нелінійних спотворень складають більше десяти відсотків.

У випадку апріорної невизначеності щодо складу і властивостей вектора інформаційних сигналів при впливі мультиплікативних завад (що відповідає випадку 1) та 2) нелінійних спотворень) не усі компоненти вектора параметрів, від яких залежить сигнал, що спостерігається, підлягають оцінюванню. Через нелінійний характер рівняння спостереження (3) навіть при гаусівській апроксимації апостеріорної густини ймовірностей вектора оцінюваних процесів, рівняння оцінювання є нелінійними. Запропоновано алгоритм оцінки параметрів цифрових каналів при неповних вимірах:

, (8)

де - перехідна матриця фільтра; - оцінка дисперсійної матриці; - еквівалентні спостереження, - еквівалентні шуми; - вектор процесів, що не оцінюються; - нелінійно-параметрична неузгодженість меж вектором інформаційного процесу і оцінкою вектора процесів, що фільтрується.

У четвертому розділі розглянуто практичне використання методів виміру на волоконно-оптичних системах передачі.

Сучасні технології високошвидкісної передачі, такі як SDH і ATM, основані в першу чергу на використанні оптоволоконних середовищ, що у даний час забезпечують максимально можливу пропускну здатність. У зв’язку з цим і виміри в цій області є надзвичайно важливими.

Було показано, що задачі контрольних вимірів ВОСП можуть виконуватися за допомогою спеціально вбудованих в апаратуру лінійного тракту контрольно-вимірювальних пристроїв. Специфікація експлуатаційних вимірів кабелів містить у собі: вимір рівнів оптичної потужності; вимір перехідного загасання; визначення місця і характеру ушкодження оптоволоконного кабелю; стресове тестування апаратури ВОСП.

Виміри рівнів оптичної потужності і виміри загасання є взаємозалежними. Стосовно до оптичних систем передачі рішення цієї простої задачі має визначені труднощі, оскільки вимір рівня сигналу у ВОСП залежить від параметрів оптичного інтерфейсу генератора тестового оптичного сигналу (якості обробки торця волокна, точності юстировки випромінювача щодо цього торця та ін.). Крім того, істотною є вимога сталості умов узгодження джерела сигналу з волокном. Усе це накладає обмеження на сталість характеристик виміру загасання в оптичному кабелі.

Для методу прямого виміру загасання, що вноситься оптичним кабелем розроблена структурна схема вимірника потужності з рекурсивною обробкою результатів вимірів (рис.7) без статистичних накопичувань, які вимагають великих часових витрат. Даний метод обробки дозволить уникнути умов випадкового характеру параметрів оптичного інтерфейсу генератора тестового оптичного сигналу, умов узгодження джерела сигналу з волокном та ін.

Розглянуто метод зворотного розсіювання для виміру загасання. При вимірюванні з одного кінця кабелю ОПР знає про загасання сигналу в залежності від довжини кабелю. Виміри з одного кінця кабелю зручні, дають можливість швидкої локалізації несправності вже прокладеного кабелю. Основним недоліком даного методу є невеликий динамічний діапазон вимірів, що обумовлено малою потужністю випромінювання зворотного розсіювання. На основі методу зворотного розсіювання проводяться виміри зворотних втрат. На відміну від оптичних рефлектометрів, що забезпечують аналіз рівня відображення від часу, аналізатори зворотних втрат дають інтегральну характеристику середнього рівня відображення від ВОСП. У той же час використання аналізаторів зворотних втрат виправдано в разі потреби точних вимірів рівня відображення, OTDR забезпечують лише оцінку цього параметра. Для виміру загасання сигналу на фоні шумів запропоновано метод оцінки загасання сигналу за допомогою фільтра Калмана-Б’юсі (рис.8).

Проведено виміри загасання сигналу на трасах Харківської філії ВАТ “Укртелеком” за допомогою методу зворотного розсіювання. Також виміряні зворотні втрати як інтегральна оцінка від зворотного розсіювання. Виміри загасання сигналу у ВОЛЗ проводилися за допомогою рефлектометра Flash (7976) фірми Wavetek з динамічним діапазоном 28-26 дБ з оптичним інтерфейсом RS232. Виміри проводились в другому вікні прозорості на довжині хвилі 1310 нм по трасах: АТС 65 – АТС 64; АМТС – АТС 27; АТС (Жихар) – АТС 52; АТС 43 – АТС 12; АТС 93 – АТС 10; АТС 12 – АМТС. У результаті експерименту були зроблені висновки про те, що з використанням фільтра Калмана-Б’юсі збільшується динамічний діапазон вимірювань.

Розглянуто перспективи розвитку вимірювальних технологій ВОСП. Оцінюючи майбутній розвиток ВОСП, відзначена загальна тенденція переходу до систем передачі з частотним розподілом у волоконно-оптичних кабелях (Wavelength Division Multiplexing - WDM). У контексті розвитку вимірювальних технологій впровадження технології WDM і впровадження мультиплексування каналів з частотним розподілом призводить до необхідності використання для аналізу таких ВОСП оптичних аналізаторів спектру. Одним з методів такого аналізу може бути запропоновано метод зниження розмірності на основі трансверсального фільтра (рис.9).

У п’ятому розділі проведено аналіз ефективності процедур вимірювань в системі управління.

Ефективність системи управління визначається ймовірносно-часовими характеристиками системи (середній час очікування обробки інформації в системі, інтенсивність потоку інформації від i-го мережного елемента, середній час обслуговування заявок, що надходять у систему від мультиплексорів, середнє значення часу опитування буфера мережного елемента), і затримками при обробці інформації. Показано, що запропоновані в розділі 2 методи вибору основних параметрів тестування, відповідно до АРМ-технології дозволять значно скоротити кількість контролерів, що використовуються на мережі й інтенсивності надходження інформації від кожного контролера, а рекурсивні методи обробки дозволять значно скоротити час затримки.

Проведені дослідження застосування запропонованих рекурсивних методів оцінки основних параметрів ТКС на трасах Харківської філії “Укртелеком" показують, що кількість мережних елементів може знаходитись в межах від 20 до 200, в залежність від рівня STM, інтенсивність надходження інформації від 1 до 0.1 пов./с, середній час обслуговування заявок скорочується від 1 с до 0.03…0.01 с.

Результати аналізу залежності часу циклу опитування від кількості мережних елементів показують, що зі збільшенням кількості об'єктів, що контролюються, час циклу опитування росте, причому він тим більший, чим вища інтенсивність повідомлень, що надходять від контролерів. При заданих параметрах мережі управління при обслуговуванні діючої магістралі рівня STM-4 та інтенсивності надходження повідомлень від контролерів тотожній 1 пов./с час циклу опитування складе не більш 0,03 с. Для магістралі рівня STM-16 та інтенсивності надходження повідомлень від конроллерів, тотожній 1 пов./с складе близько 0,33 с. При збільшенні кількості мережних елементів росте час циклу опитування, причому при заданих параметрах мережі управління різкий зріст часу циклу опитування спостерігається при кількості мережних елементів більше 100 та інтенсивності надходження повідомлень більше 0,5 пов./с. Розрахунок показує, що без застосування рекурсивних методів оцінки параметрів ТКС при мережних елементів навіть при низькій інтенсивності надходження повідомлень пов./с час циклу опитування складає хв.

Затримка в контурі управління призводить до втрат якості управління тим більшим, чим більше ця затримка. У тих системах, де вимоги до якості зв’язку не високі (при низьких ВСЗШ) величина затримки позначається менше. У системах з високими вимогами щодо якості ці втрати різко зростають. Це можна пояснити тим, що система з високою якістю більш чуттєва.

Вплив величини затримки залежить від інерційності системи. Цей вплив практично непомітний, якщо час затримки не перевищує , при втрати складають близько 5...10%, і при збільшенні ці втрати різко збільшуються.

Відхилення величини затримки і матриці управління істотно впливають на якість адаптивного управління. При цьому якість у значній мірі залежить від ВСЗШ у контурі спостереження.

ВИСНОВКИ

Дисертаційна робота є завершеним науковим дослідженням, в якій вирішується актуальна наукова задача вдосконалення методів вимірювання в системі управління телекомунікаційних систем. Мета та задачі роботи досягаються за рахунок використання нових в метрології рекурсивних процедур оцінювання параметрів ТКС, та вибору цих параметрів. Це дало змогу значно скоротити час затримки на вимірювання, обробку та передачу інформації СУ. Завдяки цьому можливе впровадження сучасних систем управління в повній мірі.

Крім того в дисертаційній роботі одержані такі основні результати:

1. Сучасні телекомунікаційні системи є складними системами, що містять метрологічні підсистеми, СУ, підсистеми забезпечення якості, підсистеми сигналізації, синхронізації і т.д. Метрологічна підсистема носить як самостійне значення, що забезпечує ОПР необхідною інформацією, так і часто відіграє підлеглу роль, входячи до складу загальної СУ в ТКС.

2. СУ зв'язком TMN, ТІNА поки ще залишаються не цілком реалізованими. Виділено три причини, які приходяться на частку метрологічної підсистеми та стримують впровадження сучасних СУ. Ними є: затримка в одержанні статистики, наявність завад виміру і велика розмірність параметрів виміру. У зв'язку з цим виникає задача оптимізації вимірювальних процедур і правильної організації вимірів.

3. Виділено основні параметри вимірів. На відміну від традиційних характеристик і параметрів запропоновано використовувати дві з характеристик: доступність і реакцію відгука.

4. Проведено формалізацію задачі вимірів. Вона складається з 4-х головних етапів: 1) вибору математичної моделі; 2) вибору рівняння спостереження; 3) вибору процедури оцінки для випадкового процесу чи випадкової величини: 4) вибору показника якості.

5. Серед рекурсивних процедур виділено два основних методи, які орієнтовано відповідно на одержання оцінки випадкової величини (методи стохастичної апроксимації) і випадкового процесу (методи фільтрації, процедури Калмана-Б’юсі, марківської нелінійної фільтрації та ін.). У першому випадку оцінка сходиться до одного значення, яке визначається, як середнє на інтервалі часу спостереження, а в другому – формується послідовність значень, що оцінюються, які характеризують одержання поточної оцінки на кожному кроці ітерації.

6. Досліджено точність оцінок. Показано, що точність оцінювання зі збільшенням обсягу вибірки зростає. При цьому вибіркові оцінки й оцінки випадкових величин сходяться до істинного значення, та зі збільшенням обсягу виборки їхня апостеріорна дисперсія асимптотично наближається до нуля. Ці оцінки можна використовувати в тих процедурах управління, де параметрами об'єктів є випадкові величини чи постійні значення.

7. Досліджено точність оцінювання випадкових процесів і показано, що основний вплив на якість оцінки визначає співвідношення рівнів сигнал/шум. Разом з тим, якість оцінки залежить також від того, на скільки відрізняються реальні параметри процесу, що оцінюється від тих, що використовуються в обраній для оцінки моделі. Чим більша ця розбіжність, тим більша похибка оцінки. Розрахунок моделі на більш широкосмуговий процес дає менші втрати, ніж для протилежного випадку, що є важливою практичною рекомендацією.

8. Розглянуто можливість використання для процедур виміру параметрів ТКС метод зниження розмірності простору представлення сигналів. Даний метод дозволить на десятки децибел підвищити ВСЗШ на вході вимірника, що тим самим підвищить вірогідність результатів вимірів.

9. Розроблено загальну структурну схему прийому - позиційного широкосмугового сигналу. При використанні - позиційної ПВП і при збігу цієї ПВП з опорною еквівалентне ВСЗШ на вході вимірника збільшується в базу раз, чим і досягається підвищення завадозахищеності прийому в базу раз.

10. Розглянуто алгоритми АКЗ і методи виміру параметрів ТКС на фоні ехо-сигналів з використанням АКЗ. Показано, що ефективність таких вимірників істотно залежить від потужності завад в ОКП і може досягати 20..30 дБ і більше. Близькі до потенційно можливих значення ВСЗШ на вході вимірника можна одержати лише при перевищенні потужності завади в ОКП на 6...10 дБ стосовно рівня завади в основному каналі. Показано, що ефективність алгоритмів АКП із збільшенням кроку обробки знижується на значну величину, 15 дБ і більше. Для практичного використання може бути рекомендовано крок у співставленні з інтервалом кореляції завади, що компенсується тотожному .

11. Розглянуто алгоритми ААР і їхнє застосування для вимірників параметрів радіочастотних систем. Показано, що існуючі на даний час методи виміру параметра BER не враховують наявності завад у радіочастотному каналі, наведень на вимірювальне устаткування від інших радіопередаючих пристроїв, нелінійні спотворення й ін. Унаслідок цього реальний BER буде значно завищено, а для досягнення необхідного параметра необхідне підвищення потужності корисного сигналу. Однак, тенденція постійного ускладнення електромагнітної обстановки припускає застосування додаткових методів завадозахисту систем і ліній зв'язку. У даній роботі пропонується використання багатоканального вимірника, здатного знизити вплив завад порядка 10 дБ .

12. Проведено аналіз впливу нелініностей вхідних трактів прийому на ефективність багатоканальних вимірників. Аналіз показав, що можна виділити три характерні випадки:- випадок слабкого впливу нелінійності, проміжний випадок, у деякому сенсі перехідний, коли рівні нелінійних спотворень складають від п'яти до десяти відсотків; крайній випадок, коли нелінійні спотворення настільки великі, що спектральна густина потужності сигналів на виході нелінійного елемента втрачає первісний вигляд, збагачуючись як високочастотними складовими, так і субгармоніками. При цьому рівні нелінійних спотворень складають більше десяти відсотків.

13. У випадку апріорної невизначеності щодо складу і властивостей вектора інформаційних сигналів при впливі мультиплікативних завад (1 та 2 вплив нелінійностей) не всі компоненти вектора параметрів, від яких залежить сигнал, що спостерігається, підлягають оцінюванню. Через нелінійний характер навіть при гаусівскій апроксимації апостеріорної густини імовірності вектора оцінюваних процесів, рівняння оцінювання є нелінійними. Запропоновано алгоритм оцінки параметрів цифрових каналів при неповних вимірах.

14. Для методу прямого виміру загасання, що вноситься оптичним кабелем, розроблена структурна схема вимірника потужності з рекурсивною обробкою результатів вимірів без статистичних накопичувань, які вимагають великих часових втрат. Даний метод обробки дозволить уникнути умов випадкового характеру параметрів оптичного інтерфейсу генератора тестового оптичного сигналу, умов узгодження джерела сигналу з волокном та ін.

15. Для виміру загасання сигналу на фоні шумів методом зворотного розсіювання запропоновано метод оцінки загасання сигналу за допомогою фільтра Калмана-Б’юсі.

16. Проведено виміри загасання сигналу на трасах Харківської філії ВАТ “Укртелеком” за допомогою метода зворотного розсіювання. У результаті експерименту було зроблено висновки про те, що із використанням фільтра Калмана-Б’юсі збільшується динамічний діапазон вимірів.

17. У контексті розвитку вимірювальних технологій упровадження технології WDM (Wavelength Division Multiplexing) призводить до необхідності використання для аналізу таких ВОСП оптичних аналізаторів спектру. Одним з методів такого аналізу запропоновано метод зниження розмірності на основі трансверсального фільтра.

Ефективність системи управління визначається ймовірносно-часовими характеристиками системи і затримками при обробці інформації. Результати аналізу залежності часу циклу опитування від кількості мережних елементів показують, що зі збільшенням кількості об'єктів, що контролюються, час циклу опитування росте, причому він тим більший, чим вища інтенсивність повідомлень, які надходять від контролерів. Різкий зріст часу циклу опитування спостерігається при кількості мережних елементів більше 100 з інтенсивністю надходження повідомлень більше 0.5 пов./с. Розрахунок показує, що без застосування рекурсивних методів оцінки параметрів ТКС при мережних елементів навіть при низькій інтенсивності надходження повідомлень пов./с час циклу опитування складає хв.

18. Затримка в контурі управління призводить до втрат якості управління тим більших, чим більша ця затримка. У тих системах, де вимоги до якості зв’язку низькі (при низьких ВСЗШ) величина затримки позначається менше. У системах з високою вимогою щодо якості ці втрати різко зростають. Це пояснюється тим, що система з високою якістю більш чуттєва.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Холод Л.Н. Состояние и перспективы технологии измерений в телекоммуникационных системах // Труды VII Международной научно-практической конференции. “Системы и средства передачи и обработки информации”. - Одесса, 2003, с.120

2. Поповский В.В., Холод Л.Н. Понижение размерности пространства представления сигналов – универсальный метод их обработки // Тез. докл. 9-я Международная научная конференция "Теория и техника передачи, приема и обработки информации" . - Туапсе, 2003, с. 6-7.

3. Нарытник Т.Н., Холод Л.Н., Жегестовский В.И. Анализ влияния сосредоточенных модулированных помех на качество приема цифровых сигналов // Радиотехника. - Харьков, 2002, № 130, с. 158-162.

4. Холод Л.Н. Задачи контроля качества и функции управления в телекоммуникационных системах // Праці УНДІРТ, Теоретичний та науково-практичний журнал радіозв’язку, радіомовлення і телебачення. – 2003, № 1(33), с.38-40.

5. Коляденко Ю.Ю., Холод Л.Н. Методы измерения зависимости параметра ошибки от отношения сигнал/шум для радиочастотных систем передачи. // Прикладная радиоэлектроника. - Харьков, 2004, Том 3 №1, с.48-52.

6. Коляденко Ю.Ю., Селиванов К.А, Холод Л.Н. Анализ продуктов нелинейностей радиотрактов // Радиотехника. - Харьков 2003, № 133, с.212-217.

7. Коляденко Ю.Ю., Холод Л.Н. Измерения на волоконно-оптических системах передачи // Радиотехника. - Харьков. 2004, № 138, с. 146-152.

8. Персиков А.В., Еременко А.С., Холод Л.Н. Разработка и исследование производительности анализаторов линий сигнализации // Східно-Європейський журнал передових технологій. – Харків, 2004, №6 (6), с. 41-46.

.9. Коляденко Ю.Ю., Холод Л.Н. Проблемы внедрения современных систем управления в телемоммуникациях и методы их решения // Східно-Європейський журнал передових технологій. – Харків, 2004, №7 (7) с. 34-38.

10. Коляденко Ю.Ю., Холод Л.Н. Оценка параметров цифровых каналов при неполных измерениях // Праці УНДІРТ, Теоретичний та науково-практичний журнал радіозв’язку, радіомовлення і телебачення. – 2004, №3(39), с. 25-28.

11. Холод Л.Н., Зуев С.И. Точность рекурсивных оценок случайных процессов в системах управления телекоммуникационными системами// Тез. докл.10-я Международная научная конференция "Теория и техника передачи, приема и обработки информации" . - Туапсе, 2004, с. 61-62.

АНОТАЦІЇ

Холод Леонід Миколайович. Оптимізація процедур вимірювання стану мережних елементів телекомунікаційних систем - Рукопис.

Дисертаційна робота на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.02 - телекомунікаційні системи і мережі – Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2004.

Дисертація присвячена аналізу процедур виміру, оцінки та прийняття рішення в системі управління (СУ) зв'язком. Показано, що існуючі СУ зв'язком TMN, ТІNА поки що залишаються не цілком реалізованими. Виділено три причини, що приходяться на частку метрологічної підсистеми, що стримують впровадження сучасних СУ. Ними є: затримка в одержанні статистики, завади виміру і великий набір параметрів виміру.

Виділено основні параметри вимірів. Запропоновано використовувати дві з характеристик: доступність і реакцію відповіді. Серед рекурсивних процедур оцінки параметрів виділено два основних методи: оцінки випадкової величини і випадкового процесу. Досліджено якість оцінок. Запропоновано використання для процедур виміру параметрів ТКС на фоні завад метод зниження розмірності простору представлення сигналів. Проведено аналіз впливу нелінійностей вхідних трактів прийому на ефективність багатоканальних вимірників. Показано, що при нелінійних спотворюваннях не всі компоненти вектора параметрів, від яких залежить сигнал, що спостерігається, підлягають оцінюванню. Запропоновано алгоритм оцінки параметрів цифрових каналів при неповних вимірах. Розглянуто практичне застосування запропонованих методів для ВОСП, а також проведені виміри на трасах Харківської філії ВАТ “Укртелеком”. Провелено аналіз ефективності СУ при впровадженні запропонованих методів виміру.

Ключові слова: Телекомунікаційна система, мережа, система управління, виміри, оцінка, прийняття рішення, оптимізація, телекомунікаційні технології, технології вимірів, аналіз, синтез, стійкість.

Холод Леонид Николаевич. Оптимизация процедур измерения состояния сетевых элементов телекоммуникационных систем - Рукопись.

Диссертационная работа на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.02 - телекоммуникационные системы и сети – Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков 2004.

Диссертация посвящена анализу процедур измерения, оценки и принятия решения в системе управления (СУ) связью. Показано, что существующие СУ связью TMN, ТINA пока еще остаются не полностью реализованными. Выделено три причины, приходящиеся на долю метрологической подсистемы, затрудняющие внедрение современных СУ. Ими являются: задержка в получении статистики, помехи измерения и большой набор параметров измерения.

Выделены основные параметры измерений. Предложено использовать две из характеристик: доступность и ответную реакцию. Среди рекурсивных процедур оценки параметров выделено два основных метода: оценки случайной величины и случайного процесса. Исследовано качество получаемых оценок. Предложено использование для процедур измерения параметров ТКС на фоне помех метод понижения размерности пространства представления сигналов.

Проведен анализ влияния нелинейностей входных трактов приема на эффективность многоканальных измерителей. Показано, что при нелинейных искажениях не все компоненты вектора параметров, от которых зависит наблюдаемый сигнал, подвержены оцениванию. Предложен алгоритм оценки параметров цифровых каналов при неполных измерениях. Рассмотрено практическое применение предложенных методов для ВОСП, а также проведены измерения на трассах Харьковского филиала ОАО “Укртелеком”. Проведен анализ эффективности СУ при внедрении предложенных методов измерения.

Ключевые слова: Телекоммуникационная система, сеть, система управления, измерения, оценка, принятие решения, оптимизация, телекоммуникационные технологии, технологии измерений, анализ, синтез, устойчивость.

Kholod Leonid Nikolayevich. Optimization of measurement procedures of state of network elements of telecommunication systems – Manuscript.

Dissertation for the degree of Candidate of Engineering Science on Specialization 05.12.02 – Telecommunication Systems and Networks – Kharkiv National University of Radio Electronics, Kharkiv, 2004.

The dissertation is devoted to the analysis of procedures of measurement, estimation and decision-making in the communication control system. It is shown that the existing communication control systems TMN and TINA have been not completely implemented yet. There are three reasons, falling within the metrological subsystem, which hinder implementation of the up-to-date control systems. They