Міністерство транспорту І ЗВ’ЯЗКУ УКРАЇНИ

УКРАЇНСЬКИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ ЗВ’ЯЗКУ

ФЕДОРОВА НАТАЛІЯ ВОЛОДИМИРІВНА

УДK 621.394/396

Дослідження та РОЗРОБКА алгоритмів підвищення сталості МЕРЕЖІ тактової СИНХРОНІЗАЦІЇ

05.12.02 – телекомунікаційні системи та мережі

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Державному підприємстві “Український науково-дослідний інститут зв’язку” (УНДІЗ) Державного комітету зв’язку та інформатизації України

Науковий керівник: | кандидат технічних наук,

старший науковий співробітник

Бірюков Микола Леонідович,

Український науково-дослідний

інститут зв’язку, начальник наукового відділу

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор,

Віноградов Микола Анатолійович,

Національний авіаційний університет,

професор кафедри комп’ютерних інформаційних технологій

кандидат технічних наук,

Охрущак Дмитро Віталійович,

Технічна дирекція ЗАТ “Київстар Дж.Ес.Ем.”,

начальник департаменту планування систем передавання

Провідна установа: | Державний університет інформаційно-

комунікаційних технологій, Україна, м. Київ

Захист відбудеться “ 22 ” червня 2007 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К26.849.01 в Українському науково-дослідному інституті зв’язку, за адресою: 03680, м. Київ-110, вул. Солом’янська, 13.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Українського науково-дослідного інституту зв’язку, за адресою: 03680, м. Київ-110, вул. Солом’янська, 13.

Автореферат розіслано “ 22 ” травня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

К26.849.01, к.т.н., с.н.с. В.Ф. Михайлов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасний стан транспортних телекомунікаційних мереж характеризується використанням високошвидкісних систем передавання інформації на базі новітніх технологій. Для забезпечення якісного передавання інформації в транспортних телекомунікаційних мережах необхідна підтримка синхронної роботи елементів мережі, її управління та сигналізації.

З метою підтримки транспортних телекомунікаційних мереж створенні мережі підтримки, до яких відносяться мережа тактової синхронізації, мережа управління, мережа сигналізації.

До показників роботи розподільчої мережі тактової синхронізації в першу чергу відносяться її сталість та надійність.

Одним з основних факторів, що впливають на сталість розподільчої мережі тактової синхронізації, є виникнення петель синхронізації при не правильному плануванні мережі або при втраті та переключенні опорних сигналів синхронізації внаслідок виникнення аварійних ситуацій або при перебудові та розвитку мережі.

Під петлею синхронізації розуміється ситуація, коли пристрій синхронізації мережі тактової синхронізації отримує сигнал синхронізації не від опорного джерела сигналу синхронізації, а від свого власного внутрішнього генератора, навіть через ряд проміжних пристроїв мережі тактової синхронізації.

Виникнення петель в мережі тактової синхронізації призводить до ряду проблем, зокрема погіршення характеристик сигналу синхронізації за рахунок присутнього позитивного зворотного зв'язку, появи в мережі короткочасових або довготривалих збоїв часом з випадковим періодом тривалості, причину або первинне джерело яких дуже важко виявити.

Відсутність загальних методик оцінювання стану мережі під час проектування та експлуатування та трудомісткість даного процесу не дозволяє впевнено гарантувати сталу роботу розподільчої мережі тактової синхронізації.

Тому питання планування й проектування розподільчої мережі тактової синхронізації має дуже важливе значення для побудови та експлуатації розподільчих мереж тактової синхронізації операторів телекомунікацій.

Розгляду питань щодо аспектів проектування розподільчих мереж тактової синхронізації та їх режимів роботи присвячено багато наукових праць відомих зарубіжних та вітчизняних вчених.

Існує два загальновідомі основні методи запобігання петель синхронізації, але достатності цих методів лишається відкритим питання.

Методологія аналізу розподільчих мереж тактової синхронізації на виникнення потенційних загроз петель синхронізації знаходиться на стадії формування.

В зв’язку з цим багатьма фахівцями підкреслюється необхідність продовження практичного вивчення причин та процесів виникнення петель синхронізації, розробки алгоритмів запобігання петель синхронізації, а також методів проектування розподільчих мереж тактової синхронізації.

Дисертаційна робота, що присвячена дослідженню та розробці алгоритмів підвищення сталості мережі тактової синхронізації, є актуальною.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в тісному зв’язку з виконанням наукових досліджень УНДІЗ за темами: № П 860/2004-22/378-1821 (держ. реєстр. № 0105U008986) розробка галузевого стандарту України ГСТУ 45.031-2006 “Мережі синхронізації. Канали та стики синхронізації. Вимоги щодо надання каналів та стиків синхронізації операторам”, № К 215/2006-22 (держ. реєстр. № 0106U000029д) виконання науково-дослідної роботи “Проведення досліджень та підготовка державного стандарту з питання визначення структури циклу цифрових каналів електрозв’язку та порядку застосування розрядів національного використання в інтересах забезпечення інформаційної безпеки держави”, шифр “Салгир”, № П 160/2006 (держ. реєстр. № 0106U006703) розробка технічного проекту “Побудова мережі синхронізації ЗАТ “Український мобільний зв’язок” в Західному та Кримських регіонах”; а також з роботою в Дослідній Комісії 15 ITU-T. Особистий внесок автора полягає в підготовці Внесків України до ITU-T і відповідних робочих документів Дослідній Комісії 15 (Робоча група 3/15).

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення сталості мережі тактової синхронізації шляхом розробки та впровадження алгоритмів управління й проектування, що запобігають виникненню петель синхронізації.

При цьому необхідно вирішити наступні завдання: –

провести аналіз та розробити класифікацію причин виникнення петель синхронізації;–

провести аналіз достатності відомих методів запобігання петель синхронізації в мережах тактової синхронізації з різним рівнем зв’язності та рангом вузлів;–

обґрунтувати вибір математичного апарату аналізу структури розподільчої мережі тактової синхронізації;

– провести розробку алгоритму автоматизованого аналізу структури розподільчої мережі тактової синхронізації;–

провести розробку вимог та програмної моделі елементу мережі ЕМ обладнання СЦІ з точки зору обміну повідомленнями SSM в сталому та перехідному режимах роботи;–

розробити узагальнений алгоритм проектування, що спрямований на підвищення сталості розподільчої мережі тактової синхронізації.

Об’єктом дослідження є мережа тактової синхронізації транспортної телекомунікаційної мережі. Предметом дослідження є алгоритми управління й проектування, що запобігають виникненню петель синхронізації в мережі тактової синхронізації.

Основні методи дослідження. Вирішення поставлених задач здійснювалось за допомогою математичного аналізу зі застосуванням теорії графів, матричних (структурних, багатомірних матриць) та комбінаторних методів; прямого машинного моделювання; натурного експерименту основних положень та висновків.

Для всіх розроблених алгоритмів, а також імітаційного моделювання фрагментів мережі синхронізації була використана програма Matlab версії 7.0.4 (R14SP2), а також пакет Simulink 6.2.

Наукова новизна одержаних результатів: –

вперше системно проаналізовано та запропоновано класифікацію причин виникнення петель в розподільчої мережі тактової синхронізації; –

знайшло подальший розвиток застосування методів теорії графів та комбінаторних методів, зокрема для оцінювання загальної кількості кореневих дерев в мережах з довільною структурою;–

вперше запропоновано оцінювання потенційних топологічних загроз виникнення циклів (петель синхронізації) за кількістю надлишкових ребер та кількістю контурів; –

вдосконалено метод багатомірних матриць для аналізу розподільчої мережі тактової синхронізації шляхом додавання ще одного простору до 3-х мірної матриці;–

вперше на основі аналізу та експериментального дослідження показано недостатність застосування відомих методів запобігання петель синхронізації (використання таблиць пріоритетів та повідомлень SSM) для мереж з різним рівнем зв’язності та рангом вузлів;–

запропоновано та розроблено програмну модель “зразкового” елементу мережі ЕМ СЦІ типів А (з підтримкою повідомлень SSM) та Б (без підтримки повідомлень SSM), в якій реалізовано зразковий алгоритм обміну сигналами синхронізації; –

вперше запропоновано узагальнений алгоритм управління та проектування, що спрямований на підвищення сталості розподільчої мережі тактової синхронізації.

Вірогідність отриманих результатів досягається завдяки коректному використанню методів досліджень та математичного апарату. Адекватність обраних моделей підтверджується узгодженістю результатів аналітичних досліджень, імітаційного моделювання та експериментальних перевірок, а відповідність висновків витікає зі змісту роботи.

Практичне значення отриманих результатів. Результати роботи отримали своє застосування в Українському науково-дослідному інституті зв’язку як підґрунтя конкретних інженерних рішень при виконанні низки НДР, розробці державних і галузевих стандартів України та технічних проектів. Для ідентифікації пристроїв синхронізації та оцінювання їх відповідності вимогам необхідних для роботи в розподільчій мережі синхронізації розроблено програму та методику PI 05.01/03-16-ВЛ2 “Перевірка функцій формування та передавання повідомлень про статус синхронізації” від 26.10.05. Дана методика була використана в ряді робіт УНДІЗ з сертифікації обладнання синхронізації та аналізу роботи мереж синхронізації.

Практичні результати підтверджуються актами впровадження, які наведено в Додатках до дисертаційної роботи.

Також на основі роботи був підготовлений Внесок України № D 483 до відповідних робочих документів Дослідної Комісії 15 (Робоча група 3/15) ITU-T “Алгоритм обміну повідомленнями SSM у пограничному обладнанні при взаємодії мереж з синхронним та асинхронним режимами передавання інформації.

Особистий внесок автора. Всі результати, що складають основний зміст дисертаційної роботи, автором отримані самостійно. В роботах, опублікованих у співавторстві, автору належать наступні результати: в [5] – опис проблеми та огляд існуючих загальновідомих методів запобігання петель синхронізації; в [2, 11, 13] – методика аналізу сталості мережі тактової синхронізації та автоматизований алгоритм визначення петель синхронізації; в [3, 12] – розробка еталонної програмної моделі елементу мережі СЦІ двох типів А та Б.

Автору належать постановка експериментів щодо перевірки достатності застосування методів таблиць пріоритетів та повідомлень SSM в мережах тактової синхронізації та проведення структурного аналізу мережі тактової синхронізації шляхом імітаційного моделювання на ЕОМ.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень висвітлені на наукових та науково-технічних конференціях та семінарах: VIII міжнародній конференції “Еволюція транспортних мереж телекомунікацій. Проблеми побудови, розвитку та управління”(пгт. Партеніт, 2005 р.), IV міжнародній науково-практичній конференції “Проблемы управления сетями и услугами телекоммуникаций в условиях конкурентного рынка” (м. Ялта, 2005 р.), міжнародній конференції “Сучасні інформаційно-комунікаційні технології (COMINFO’2005)” (м. Кацивелі, 2005 р.), науково-практичному семінарі “Актуальні питання стандартизації та оцінки відповідності у галузі зв’язку України” (м. Київ, 2005 р.), VII міжнародній науково-практичній конференції “Современные информационные и электронные технологии”(м. Одеса, 2006 р.), V міжнародній науково-практичній конференції “Проблемы управления сетями в условиях конкурентного рынка(пгт. Партеніт, 2006 р.), IХ міжнародній конференції “Еволюція транспортних мереж телекомунікацій.

Публікації. Результати дисертації опубліковані у 14 статтях в наукових журналах, у тому числі в 3 професійних виданнях, включених до переліку ВАК України, а також тезах доповідей на науково-практичних конференціях.

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків та 9 додатків. Загальний обсяг дисертації становить 195 сторінок. Дисертація містить 72 рисунки, 11 таблиць, список використаних джерел, що включає 113 назв на 9 сторінках, 59 сторінок додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і задачі дослідження, визначено об’єкт, предмет та методи вирішення задач дослідження, відображено основні наукові результати та їх практичне значення, викладена загальна характеристика роботи. Приведено дані про особистий внесок автора, а також публікації за темою дисертації.

В першому розділі проведено аналіз розподільчої мережі тактової синхронізації на базі якого показано, що структура даної мережі повинна бути строго деревоподібною й односпрямованою.

Реальна транспортна телекомунікаційна зв’язана мережа має різноманітну структуру від ланцюгової до повнозв’язної, загальну кількість ребер яких дорівнює нерівності:

N – 1 < R < , (1)

де N – кількість вузлів в мережі; R – загальна кількість ребер в мережі.

Загальна кількість кореневих дерев для розподілення сигналів синхронізації в розподільчій мережі тактової синхронізації знаходиться в межах:

1 < D < NN-2, (2)

де N – кількість вузлів в мережі; D – загальна кількість кореневих дерев в мережі.

При збільшенні вузлів в мережі стрімко росте загальна кількість кореневих дерев у мережі (рис. 1), так для повнозв’язних мереж, де загальна кількість дерев становить D = NN-2 (формула Келлі), а тільки число “ланцюгових” дерев дорівнює Dл = (N–1)!, тому задача вибору варіантів чи перебору дерев становить досить складний процес.

Зазначимо, що кількість ребер, яка перевищує кількість гілок в розподільчому дереві Dл = N – 1 потенційно створюють загрози виникнення циклів (петель синхронізації). Кількість таких ребер в загальному вигляді дорівнює:

Rзагроз = R – Dл = R – (N – 1) (3)

Зокрема для повнозв’язної структури мережі Rзагроз = ((N – 1)(N – 2))/2, яка співпадає з кількістю циклів, що визначається за формулою Ейлера: N + C----– R = 1, де С – загальна кількість замкнених контурів в графі.

В загальному вигляді вираз (3) кількість загроз в мережі з вузлами довільного рангу, має вигляд:

, (4)

де ?i – ранг вузла, N – кількість вузлів в мережі.

На рис. 1 показана загальна кількість кореневих дерев в повноз’язній структурі та кількість можливих загроз, що залежить від загальної кількості вузлів в мережі.

Рис. 1 Загальна кількість кореневих дерев та кількість можливих загроз в повноз’язній структурі мережі

Таким чином дослідження питань виникнення циклів (петель синхронізації) можна розглядати в функції рангу вузлів ?, тобто в структурних (топологічних) чинниках.

Другим чинником, що впливає на виникнення циклів є логічні функції елементів мереж ЕМ, а саме таблиці пріоритетів та повідомлення про статус синхронізації SSM.

Третій чинник становить розвиток процесів у часі.

Тому потенційні загрози виникнення петель синхронізації необхідно досліджувати в трьох класах.

З метою оцінювання достатності логічних функцій (таблиць пріоритетів та повідомлень SSM) для захисту мереж від виникнення петель синхронізації, в Розділі 1 досліджена взаємодія елементів мережі ЕМ за цими показниками на типових структурах мережі:

1. Для лінійних та кільцевих схем синхронізації з рангом вузла ? = 1, ? =2 використання методу таблиць пріоритетів не запобігає виникненню петель синхронізації. Звідси слідує, що використання методу пріоритетних таблиць для мереж з рангом вузлів ? > 2 недостатньо для запобігання петель синхронізації.

2. Для лінійних та кільцевих схем синхронізації з рангом вузлів ? = 1, ? = 2 використання методів таблиць пріоритетів та повідомлень SSM цілком достатньо для запобігання петель.

3. Для мереж синхронізації з рангом вузлів ? = 3 використання методів таблиць пріоритетів повідомлень SSM недостатньо для запобігання петель синхронізації.

Якщо структура мережі містить лише один замкнений контур, що складається з трьох вузлів N = 3, кожен з яких має ранг ? = 3 та два з яких отримують опорний сигнал синхронізації від джерела синхронізації не за найвищим пріоритетом (рис. 2), то така структура є потенційно несталою при виникненні аварійних ситуацій, тобто завжди існує ймовірність виникнення петлі синхронізації при будь-якій комбінації розстановки пріоритетів.

Рис. 2 Задана структура мережі

Для чарунки мережі наведеної на рис. 2 при двох послідовних аваріях з ймовірністю 1 виникає петля синхронізації, в 2/3 випадках, що визначаються початком відліку місця аварії в чарунці від опорного джерела.

Даний висновок можна узагальнити на мережі з більшою кількістю вузлів (N > 3), з вузлами більшого рангу (? > 3), де в ребрах може бути довільне число елементів мережі ЕМ, що не створюють замкнених контурів (? < 2).

В другому розділі на основі огляду методів опису мереж обрано математичний апарат та розроблено автоматизований алгоритм аналізу структур розподільчої мережі тактової синхронізації.

З проведеного аналізу методів дослідження й відображення мереж, до яких відносяться: теорія графів; керовані кільця залежностей; метод структурних схем й функцій передавання; метод рівнів, шарів, ярусів; матричний метод (матриці інциденцій; структурні, багатомірні матриці), показано що найбільш придатним методом є матричний, точніше використання багатомірних матриць.

За допомогою багатомірних матриць можливо здійснювати дослідження та аналіз мережі синхронізації при врахуванні, топологічних, логічних та часових чинників, тобто відповідно до визначених трьох класів дослідження петель синхронізації – це робиться шляхом додавання додаткового простору до вже існуючої матриці.

Застосування багатомірних матриць дозволяє вести й зберігати облік кожного рівня мережі синхронізації та їх станів.

Використання багатомірних матриць дає можливість здійснення автоматизованого машинного аналізу й управління мережею тактової синхронізації.

Запропоновано алгоритм дослідження й аналізу розподільчої мережі тактової синхронізації на базі 4-х мірної матриці:

1. Для знаходження всіх можливих маршрутів-дерев для розподілення сигналів синхронізації необхідно скласти структурну матрицю зв’язності заданої транспортної телекомунікаційної мережі та визначити визначник (det) матриці.

2. Завдання двох основних матриць для опису мережі тактової синхронізації.

Опис повної топології мережі синхронізації визначається трьохмірною матрицею зв’язності елементів мережі (надалі матриця мережі синхронізації ||Т1||).

Матриця ||T1|| = || ti,j,k || і формується за наступним принципом.

Елементи ti,j,k матриці ||T1|| визначаються як:

i,j = 1, n – кількість елементів мережі (ЕМ);–

к = 1, m – максимальна кількість вхідних портів ЕМ, яким надаються певні пріоритети.

Наявність взаємозв’язку між ЕМ відповідає одиниці, а відсутність взаємозв’язку – нулю.

Для характеристики певного стану ЕМ задається структурна двомірна матриця стану мережі ||T2|| = ||ti,k||. Вона визначає один із можливих сценаріїв роботи мережі синхронізації.

Елементи ti,k матриці || T2|| визначаються як:

–

–

Значення ti,k дорівнює одиниці, коли ЕМ приймає сигнал синхронізації відповідно заданого пріоритету та дорівнює нулю в інших випадках.

3. Для виділення певного шляху проходження сигналу по мережі синхронізації з всіх можливих шляхів визначається трьохмірна матриця дерева мережі синхронізації ||T3||. Вона утворюється шляхом накладання логічної маски матриці ||T2|| на матрицю ||T1||.

4. При аналізуванні мережі для зручності розрахунків визначають двомірну структурну результуючу матрицю ||R||. Вона утворюється шляхом логічного додавання матриці ||Т3|| за всіма пріоритетами.

Для визначення потенційних загроз петель в мережі синхронізації необхідно структурну матрицю ||R|| піднести в ступінь, порядок якого визначається кількістю ЕМ. При піднесенні структурної матриці до певного ступеню, отримаємо нову матрицю ||R||n, в якій на головній діагоналі можуть з'явитися не нульові елементи, що і буде говорити про присутність замкнутих контурів, циклів (петель синхронізації) у графі.

Якщо в загальному випадку операція перемноження матриць не комутативна, тобто ||R||||R1|| ||R1||||R||, тоді при піднесенні матриць до ступеня порядок перемноження несуттєвий:

||R||n = ||R||n-1||R||, (5)

де R – двомірна структурна результуюча матриця

Присутність нульових діагональних елементів у матриці ||R||n відповідає відсутності петлі синхронізації. І навпаки, якщо в мережі синхронізації утворилася петля, то деякі діагональні елементи матриці ||R||n не дорівнюють нулю.

Для аналізу мережі синхронізації та перевірки інших технічних рішень розроблено програмну реалізацію методу. Загальний вигляд запропонованого алгоритму аналізу розподільчої мережі тактової синхронізації представлено на рис. 3.

Рис. 3 Алгоритм дослідження та аналізу мережі тактової синхронізації

Запропонований алгоритм дослідження та аналізу мережі тактової синхронізації, що базується на використанні багатомірних матриць, дає змогу завчасно виявити виникнення петель синхронізації тільки за топологічними характеристиками мережі. Але другий клас виникнення петель, як було відзначено раніше, це логічні функції елементів мережі ЕМ, а саме таблиці пріоритетів та повідомлення про статус синхронізації SSM.

Звідси виникає задача дослідження поведінки елементів мережі з погляду підвищення сталості мережі синхронізації.

Метою третього розділу є дослідження логічних функцій елементів мережі синхронізації та їх вплив на роботу всієї мережі тактової синхронізації. Застосування новітніх технологій на телекомунікаційних мережах характеризується ростом обладнання, що використовується на мережах, що у свою чергу, призводить до появи на розподільчих мережах синхронізації пристроїв мережі багатьох виробників, що мають певні відмінності між собою.

При плануванні мережі синхронізації необхідно враховувати: відмінність функціональних параметрів елементів мережі синхронізації різних виробників або елементів мережі синхронізації одного виробника, але різних поколінь; виконання або не виконання елементами мережі алгоритмів приймання, обробки й передавання повідомлень про статус синхронізації SSM; реакції елементів мережі на пропадання сигналу синхронізації, його відновлення, а також перехідні процеси, що виникають у мережі.

Це визначило підхід до розробки моделі, тобто створенню моделі еталонного, зразкового елементу мережі СЦІ, що відповідає вимогам регламентованих міжнародною нормативною базою.

Можливе використання двох типів еталонної моделі елементу мережі СЦІ:

- тип А – в ЕМ СЦІ реалізована функція підтримки повідомлень SSM;

- тип Б – в ЕМ СЦІ не реалізована функція підтримки повідомлень SSM.

Еталонна модель ЕМ СЦІ типів А і Б розроблена в пакеті Simulink програми Matlab і складається з двох частин - фізичної і логічної, що зв'язані між собою.

В дисертаційній роботі представлена розроблена модель “зразкового” елементу мережі ЕМ СЦІ двох типів А та Б. В авторефераті представлено еталонну модель ЕМ СЦІ типу А.

На рис. 4 представлена фізична модель ЕМ СЦІ в пакеті Simulink.

Рис. 4 Фізична модель ЕМ СЦІ в пакеті Simulink програми Matlab

У відповідності з фізичною моделлю була розроблена логічна модель ЕМ СЦІ, представлена на рис. 5.

Рис. 5 Логічна модель ЕМ СЦІ в пакеті Simulink програми Matlab

Розроблена модель “зразкового” ЕМ СЦІ дозволяє імітувати роботу будь-якого мультиплексора системи СЦІ з точки зору виконання функцій та алгоритмів передавання повідомлень SSM.

Запропоновано алгоритми конфігурації (настройок внутрішніх характеристик) даної моделі, які дозволяють при ефективному її використанні запобігти виникненню петель на початковому рівні, тобто при плануванні й проектуванні мережі тактової синхронізації.

Дана модель “зразкового” ЕМ СЦІ може використовуватись для сертифікаційних випробувань обладнання синхронізації СЦІ. Для підтвердження вірогідності розробленої моделі та підтвердження її відповідності діючим міжнародним документам були проведені тестування моделі зі складанням протоколів, що наведені в Додатках до дисертаційної роботи.

Також модель “зразкового” ЕМ СЦІ інтегрована в узагальнений алгоритм управління й проектування мережі тактової синхронізації, який дозволяє виявляти петлі синхронізації та перенастроювати параметри елементів мережі при різних варіантах конфігурації мережі синхронізації.

Аналогічні дослідження були проведені при розробці еталонної моделі ЕМ СЦІ типу Б. Відмінність еталонної моделі ЕМ СЦІ типу Б від моделі ЕМ СЦІ типу А полягає в тому, що вибір опорного сигналу синхронізації відбувається тільки згідно таблиці пріоритетів, що задається оператором мережі.

Шляхом імітаційного програмного моделювання підтверджено теоретичні положення, розглянуті в Розділі 1, а саме достатність використання повідомлень SSM для запобігання петель синхронізації для мереж з рангом вузлів ?i, i =1, 2 та недостатність використання повідомлень SSM – для мереж з рангом вузлів ?i, i =3, а також одночасне застосування на мережі синхронізації обладнання синхронізації, яке підтримує та не підтримує повідомлення SSM.

В четвертому розділі запропоновано узагальнений алгоритм управління й проектування мережі тактової синхронізації, який використовує обраний математичний апарат та розроблену модель “зразкового” ЕМ, що спрямований на дослідження мереж синхронізації та виявлення петель синхронізації (рис. 6).

Рис. 6 Узагальнений алгоритм управління й проектування розподільчої мережі тактової синхронізації

Всі запропоновані алгоритми реалізовані у вигляді програмного коду в середовищі Matlab.

В даному розділі проведена перевірка всіх результатів імітаційного програмного моделювання, в частині перевірки умов виникнення петель синхронізації, що представленні в дисертаційній роботі, шляхом натурного моделювання, використовуючи реальне обладнання транспортних телекомунікаційних мереж (мультиплексори СЦІ ADR-155C).

Результати натурного моделювання підтвердили досліджувальні процеси в дисертаційній роботі, зокрема висновки Розділу 1.

Під час натурного моделювання була перевірена структура мережі, що містить лише один замкнений контур та складається з трьох вузлів N = 3, кожен з яких має ранг ? = 3 та два з яких отримують опорний сигнал синхронізації від джерела синхронізації не за найвищим пріоритетом.

В схемі синхронізації сигнал від опорного джерела синхронізації ИВО-1М (вимірювач часових відхилень) надходив одночасно на два мультиплексори (на один мультиплексом за 1-м пріоритетом на інший за 2-м пріоритетом). Результати досліджувального процесу спостерігалися системою управління мультиплексора з вихідного порту Т4 мультиплексора (відхил часового інтервалу (ВЧІ)) та з вихідного порту мультиплексора на аналізатор мережі ANT-20SE (фіксування дефектів та аномалій, що виникають під час передавання сигналу синхронізації).

При виникненні аварійної ситуації за першим пріоритетом, в результаті переключення мультиплексору СЦІ на другий пріоритет (на резерв) виникла петля синхронізації. На рис. 7 показано одна з реалізації ВЧІ сигналу синхронізації під час виникнення петлі синхронізації з вихідного порту Т4 мультиплексору на ИВО-1М.

Рис. 7 ВЧІ сигналу синхронізації під час виникнення петлі

В результаті експерименту було підтверджено складність виявлення петель синхронізації за допомогою системи управління. Тому для їх виявлення було використано спеціалізований прилад, зокрема ИВО-1М.

ВИСНОВКИ

Сукупність наукових положень, сформульованих і обґрунтованих у дисертаційній роботі, вирішує задачу підвищення сталості розподільчої мережі тактової синхронізації транспортної телекомунікаційної мережі, при виникненні аварійних ситуацій або при перебудові та розвитку мережі, шляхом впровадження розроблених алгоритмів аналізу та проектування розподільчої мережі тактової синхронізації. В ході дослідження одержано наступні теоретичні та науково-практичні результати.

1. Встановлено, що загальна кількість кореневих дерев для розподілення сигналів синхронізації в розподільчій мережі тактової синхронізації знаходиться в межах:

1 < D < NN-2,

де N – кількість вузлів в мережі; D – загальна кількість кореневих дерев в мережі.

Кількість ребер-загроз в загальному вигляді дорівнює:

Rзагроз = R – Dл = R – (N – 1)

або

,

де ?i – ранг вузла, N – кількість вузлів в мережі.

2. Встановлено три класи потенційних загроз виникнення петель синхронізації: топологічні, логічні та часові чинники.

3. Визначено потенційно несталі структури мереж до виникнення аварійних ситуацій, тобто в яких завжди існує ймовірність виникнення петель синхронізації при будь-якій комбінації розстановки пріоритетів: якщо структура мережі містить лише один замкнений контур, що складається з трьох вузлів N = 3, кожен з яких має ранг ? = 3 та два з яких отримують опорний сигнал синхронізації від джерела синхронізації не за найвищим пріоритетом.

Для таких мереж при двох послідовних аваріях з ймовірністю 1 виникає петля синхронізації, в 2/3 випадках, що визначаються початком відліку місця аварії в чарунці від опорного джерела.

Даний висновок можна узагальнити на мережі з більшою кількістю вузлів (N > 3), з вузлами більшого рангу (? > 3), де ребрах може бути довільне число елементів мережі ЕМ, що не створюють замкнених контурів (? < 2).

4. Більш придатним методом дослідження та автоматизованого процесу аналізу мережі тактової синхронізації є використання багатомірних матриць, що дозволяє зберігати обліки кожного рівня мережі синхронізації та їх стану.

За допомогою багатомірних матриць можливо здійснювати дослідження та аналіз мережі синхронізації при врахуванні, топологічних, логічних та часових чинників, тобто відповідно до визначених трьох класів дослідження петель синхронізації.

Для визначення потенційних загроз петель в мережі синхронізації необхідно структурну матрицю ||R|| піднести в ступінь, порядок якого визначається кількістю ЕМ. При піднесенні структурної матриці до певного ступеню, отримаємо нову матрицю ||R||n, в якій на головній діагоналі можуть з'явитися не нульові елементи, що і буде говорити про присутність замкнутих контурів, циклів (петель синхронізації) у графі.

||R||n = ||R||n-1||R||,

де R – двомірна структурна результуюча матриця

5. Для дослідження логічних функцій елементів мережі ЕМ СЦІ доцільно мати еталонну модель ЕМ СЦІ.

Використовуючи еталонну модель елементу мережі ЕМ СЦІ типів А та Б можливо:–

видавати рекомендації обслуговуючому персоналу при плануванні, проектуванні та експлуатації розподільчої мережі тактової синхронізації, а також інсталяції елементів мережі ЕМ (шляхом роздруківки конфігурації кожного вузла можна скласти план, як можна оптимально настроїти кожен вузол розподільчої мережі тактової синхронізації);–

здійснювати імітаційне моделювання мережі тактової синхронізації, а також проводити сертифікаційні випробування пристроїв синхронізації СЦІ;–

здійснювати закупівлю оператором транспортної телекомунікаційної мережі певних видів пристроїв синхронізації, які повинні підтримувати функції, що забезпечують сталість розподільчої мережі тактової синхронізації.

7. Розроблено та представлено узагальнений алгоритм управління й проектування розподільчої мережі тактової синхронізації транспортної телекомунікаційної мережі, що дозволяє підвищити сталість розподільчої мережі тактової синхронізації при виникненні аварійних ситуацій на мережі.

Частини даного алгоритму можуть бути реалізовані у вигляді електронних пристроїв, що дозволить в автоматичному режимі настроювати та/або здійснювати управління мережею в цілому при виникненні захисних переключень, аварійних ситуацій, або в результаті розвитку мереж.

Також на базі застосування даного алгоритму можливе створення програмного продукту аналогом, якого є існуючі програмні продукти зарубіжних фірм, який дозволить ефективно здійснювати планування мережі тактової синхронізації з великою кількістю зв’язностей, з різними видами обладнання синхронізації, зокрема що підтримують та не підтримують передавання повідомлень SSM.

Представлені дослідження, розроблені алгоритми охоплюють новітні технологічні рішення, дозволяють здійснювати з визначеною вірогідністю цифрове передавання інформації високоефективними системами звязку і доцільні до впровадження на сучасних комплексах та системах звязку.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Федорова Н.В. Аналіз передумов, що призводять до виникнення зашморгів синхронізації // "ВІСНИК" Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій. – 2005, № 3-4 Том 3. – С. 62-63.

2. Бірюков М.Л., Лісковський І.О., Федорова Н.В. Методика аналізу стійкості мережі синхронізації // Зв’язок. – 2006, № 3. – С. 23-27.

3. Бирюков Н.Л., Лисковский И.О., Федорова Н.В. Идеальная” модель сетевого элемента синхронизации генераторного оборудования СЦИ // Зв’язок. – 2007, № 3. – С. 54-57.

4. Федорова Н.В. Принципы планирования сети синхронизации // "Вісник" УБЕНТЗ. – 2005, № 1. – С.111-117.

5. Суворов А.О., Федорова Н.В. Методы предотвращения петель в сети синхронизации // "Вісник" УБЕНТЗ. – 2005, № 1. – С. 117-123.

6. Федорова Н.В. Аналіз передумов, що призводять до виникнення зашморгів синхронізації // "Вісник" УБЕНТЗ. – 2005, № 3. – С. 97-103.

7. Застосування тестових повідомлень для уникнення зашморгів синхронізації / Н.В.Федорова // "Вісник" УБЕНТЗ. – 2005, № 3. – С. 93-97.

8. Федорова Н.В. Про необхідність розробки галузевого стандарту "Мережі синхронізації. Взаємодія пристроїв синхронізації" // "Вісник" УБЕНТЗ. – 2005, № 5. – С. 53-58.

9. Федорова Н.В. Возможные способы анализа сетей синхронизации на угрозы образования петель // "Вісник" УБЕНТЗ. – 2006, № 1. – С. 102-106.

10. Федорова Н.В. Необходимость поддержки устройствами синхронизации механизма защиты сети от возникновения петель // "Вісник" УБЕНТЗ. – 2006, № 1. – С. 99-102.

11. Лисковский И.О., Федорова Н.В. Многомерные матрицы как инструмент анализа сети синхронизации // "Вісник" УНДІЗ. – 2006, № 1. – С. 55-59.

12. Лисковский И.О., Макурин Н.А., Федорова Н.В. Сетевые устройства синхронизации. Базовая модель устройства синхронизации оборудовании СЦИ // "Вісник" УНДІЗ. – 2006, № 1. – С. 59-63.

13. Бирюков Н.Л., Лисковский И.О., Федорова Н.В. Алгоритм определения петель в сети синхронизации // Труды 7-й международной научно-практической конференции “Современные информационные и электронные технологии”. – 2006, ч.1. – С. 190.

14. Федорова Н.В. Засоби підвищення сталості мережі синхронізації // Матер. молодіжного наук.-навч. семінару “Питання розвитку телекомунікаційних мереж”, 8-9 червня 2006 р. – К.: УНДІЗ. – С.50-54.

АНОТАЦІЯ

Федорова Н.В. Дослідження та розробка алгоритмів підвищення сталості мережі тактової синхронізації. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.02 - Телекомунікаційні системи та мережі. - Український науково-дослідний інститут зв'язку, Київ, 2007.

Дисертація присвячена вирішенню науково-технічних задач, пов'язаних з підвищенням сталості мереж синхронізації, шляхом розробки та впровадження алгоритмів проектування, що спрямовані на запобігання виникнення петель синхронізації. Завданням підвищення сталості мереж синхронізації є забезпечення довготривалої та сталої роботи мереж синхронізації в процесі їхнього постійного удосконалювання та розвитку.

Проаналізовано та запропоновано класифікацію причин виникнення петель синхронізації: топологічні, логічні функції елементів мережі ЕМ СЦІ та часові чинники.

Знайшло подальший розвиток застосування методів теорії графів та комбінаторних методів, зокрема для оцінювання загальної кількості кореневих дерев в мережах з довільною структурою.

Запропоновано оцінювання потенційних топологічних загроз виникнення циклів (петель синхронізації) за кількістю надлишкових ребер та кількістю контурів за формулою Ейлера.

В даній роботі представлено математичний апарат, що базується на використанні матричних методів, які дозволяють формалізувати дане представлення мережі синхронізації та подій, що відбуваються в ній, у вигляді матриць та зміну їхнього стану.

Вдосконалено метод багатомірних матриць для аналізу розподільчої мережі тактової синхронізації шляхом додавання ще одного простору до 3-х мірної матриці.

На основі аналізу та експериментального дослідження показано недостатність застосування відомих методів запобігання петель синхронізації (використання таблиць пріоритетів та повідомлень SSM) для мереж з різним рівнем зв’язності та рангом вузлів.

Запропоновано та розроблено програмну модель “зразкового” елементу мережі ЕМ СЦІ типів А (з підтримкою повідомлень SSM) та Б (без підтримки повідомлень SSM), в якій реалізовано зразковий алгоритм обміну сигналами синхронізації.

Запропоновано узагальнений алгоритм управління та проектування, що спрямований на підвищення сталості розподільчої мережі тактової синхронізації.

Ключові слова: багатомірна матриця, еталонна модель, матричний метод, мережа синхронізації, петля синхронізації, повідомлення про статус синхронізації, пріоритет, структурна матриця.

АННОТАЦИЯ

Федорова Н.В. Исследование и разработка алгоритмов повышения устойчивости сети тактовой синхронизации. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.02 - Телекоммуникационные системы и сети. - Украинский научно-исследовательский институт связи, Киев, 2007.

Диссертация посвящена решению научно-технических задач, связанных с повышением устойчивости распределительной сетей тактовой синхронизации, путем разработки и внедрения алгоритмов проектирования, которые направлены на предотвращение возникновения петель синхронизации. Заданием повышения устойчивости распределительных сетей тактовой синхронизации является обеспечение их долговременной и устойчивой работы в процессе постоянного совершенствования и развития.

Проанализированы и предложена классификация причин возникновения петель синхронизации, которая состоит из 3-х классов:

1. Структурные (топологические) причины, базирующиеся на функции ранг узла ? в структуре сети тактовой синхронизации.

2. Логические функции сетевых элементов СЭ – использование таблиц приоритетов и сообщений о статусе синхронизации SSM.

3. Развитие процессов во времени.

Дальнейшее развитие нашло применение методов теории графов и комбинаторных методов для оценки общего числа корневых деревьев в сетях с произвольной структурой.

Предложено оценивание потенциальных топологических угроз возникновения циклов (петель синхронизации) по количеству избыточных ребер и количеством замкнутых контуров по формуле Эйлера.

Количество таких ребер в общем виде равно:

Rугроз = R – Dл = R – (N – 1)

или

где ?i – ранг узла, N – количество узлов в сети.

Например, для полносвязной структуры сети Rугроз = ((N – 1)(N – 2))/2, которая совпадает с количеством циклов, вычисляемого по формуле Эйлера: N + C----– R = 1, где С – общее количество замкнутых контуров в неориентированном графе.

В данной работе представлен математический аппарат, который базируется на использовании матричных методов, которые позволяют формализовать данное представление сети синхронизации и событий в ней, а также изменения их состояний, в виде матриц.

Усовершенствован метод многомерных матриц для исследования и анализа сети тактовой синхронизации путем добавления еще одного пространства 3-х мерной матрицы.

На основе анализа и экспериментального исследования показана недостаточность применения существующих методов предотвращения петель синхронизации (использование таблиц приоритетов и сообщений SSM) для сетей з разным уровнем связности и рангом узлов.

Предложена и разработана программная модель “образцового” элемента сети СЭ СЦИ типов А (с поддержкой сообщений SSM) и Б (без поддержки сообщений SSM), в которой реализован образцовый алгоритм обмена сигналами синхронизации.

Предложен обобщенный алгоритм управления и проектирования, который направлен на повышение устойчивости распределительной сети тактовой синхронизации. Части, которого могут быть реализованы в виде электронных устройств, что позволит в автоматическом режиме настроить и/или осуществить управление сетью в целом при возникновении защитных переключений, аварийных ситуаций, или в результате развития сетей.

Также на базе данного алгоритма возможно создание программного продукта аналогом, которого являются существующие программные продукты зарубежных фирм. Предложенный алгоритм позволит эффективно осуществлять планирование сети тактовой синхронизации при большой связности и с различными видами оборудования синхронизации (которые поддерживают и не поддерживают передачу сообщений SSM).

Ключевые слова: матричный метод, многомерная матрица, петля синхронизации, приоритет, сеть синхронизации, сообщения о статусе синхронизации, структурная матрица, эталонная модель.

SUMMARY

Fedorova N.V. Research and development of algorithms increase of a network of clock synchronization. - the Manuscript.

The dissertation manuscript for the candidate’s degree of technical science in specialty 05.12.02 - Telecommunication systems and networks. - the Ukrainian scientific research institute of communication, Kyiv, 2007.

The dissertation is devoted to the decision of the scientific and technical problems connected with increase of stability distributive networks of clock synchronization, by development and introduction of algorithms of designing which are directed on prevention of occurrence of loops of synchronization. The task of increase of stability of distributive networks of clock synchronization is maintenance of their long-term and steady work during constant perfection and development.

Classification of reasons of origin of loops of synchronization is analyzed and offered: topology, logic functions of elements of network of NE SDH and sentinel factors.

Found subsequent development of application of methods of theory of the graphs and combinatory methods, in particular for the evaluation of general amount of the rooted trees in networks with an arbitrary structure.

The evaluation of potential topology threats of origin of cycles (loops of synchronization) is offered after the amount of surplus ribs and amount of contours after the formula of Euler.

A mathematical vehicle, which is based on the use of matrix methods, which allow formalizing this presentation of network of synchronization and events which take a place in it, is presented in this work, as matrices and change of their state.

The method of multidimensional matrices is improved for the analysis of distributive network of time synchronization by