Методы измерения параметра ошибок. Параметры BER и BLER

Важный вопрос, относящийся к общим методам измерений в цифровых сетях связи, связан с принципами измерения ошибок в цифровых сетях. Измерения параметра ошибок – это самая важная часть практики эксплуатации цифровой системы связи. Коль скоро информация передается в системе связи в цифровом виде, то единственной мерой качества работы системы связи является параметр ошибки. Эта мера является универсальной в том смысле, что она едина для любых цифровых систем передачи и коммутации. Действительно, вне зависимости от того, какие типы линейного кода используются в системе передачи, на каких принципах построена система коммутации и какие протоколы используются, единой мерой качества цифровой сети является уровень ошибок, который она привносит в передаваемый цифровой поток. По этой причине методы измерения параметра ошибок в цифровых системах связи являются очень важным базовым знанием, без которого понять любые эксплуатационные процессы невозможно. Все технические решения в области эксплуатации направлены на уменьшение параметра ошибок, все измерения соотносятся с параметром ошибок (например, исследуются вопросы о влиянии джиттера на параметр ошибок, кодовых ошибок на параметр ошибок и пр.). Таким образом, измерение параметра ошибок представляет собой ключ к эксплуатационным измерениям, и уже одного этого достаточно, чтобы посвятить раздел методам измерения ошибок.

Общая картина возникновения ошибок выглядит так, как показано на рисунке 3.1.

Рисунок 6.1 – Модель возникновения ошибок в системе передачи

В самом общем виде модель возникновения ошибок выглядит следующим образом. Устройство А передает по рабочему каналу устройству В цифровой поток в виде единиц и нуле. Внешние воздействия на канал (шумы, интерференция, сбои в системе связи и т.д.) приводят к нарушению в интерпретации принимаемых символов на стороне В. В результате в некоторых случаях вместо 1 устройство В принимает 0 и наоборот.

Модель рисунка 6.1 при всей ее простоте дает логическое основание для ответа на вопрос, каким образом можно измерить параметр ошибок. В самом простом виде нужно сравнить передаваемые данные с принимаемыми. Но для того, чтобы правильно сравнить данные, нужно знать, какая последовательность единиц и нулей ожидается на приемнике В. А это в свою очередь означает, что передаваемая последовательность должна быть известна на стороне В, т.е. быть тестовой последовательностью (рис.6.2). В этом случае по каналу не может передаваться информация. Это ограничение определяется самим понятием «информация» как дополнительные знания. В соответствии с теорией информации, если нам заранее известно, какая последовательность будет на приемнике, то никакого дополнительного знания (т.е. информации) по каналу к нам не поступит. Следовательно, та информация, которая передается в канале, будет служебной или тестовой.

Рисунок 6.2 – Измерение параметра ошибок с использованием тестовой последовательностью

В методе использования тестовой последовательности очень важным является вопрос о том, каким образом передать на сторону В знание о структуре последовательности. Здесь существует два способа. Первый заключает в том, чтобы передавать одну и ту же последовательность циклично, например, одна единица, затем три нуля, тогда в канале будет передаваться информация

1000100010001000100010001000 ...

Если на стороне В приемник понимает правило формирования этой тестовой последовательности, то он легко найдет все отклонения, например:

1000100010001010100000001000... - итого, 2 битовых ошибки

Предложенный пример представляет собой довольно простую последовательность, которая относится к категории фиксированных. В практике измерений чаще используются псевдослучайные последовательности (ПСП), которые исключают возможность нарушения синхронизации тестовой последовательности. Обычно ПСП формируются в виде последовательности полиномных коэффициентов, например, 2⁶-1, 2¹⁵-1 и т.д.

Но и в случае использования фиксированных последовательностей, и в случае использования ПСП передатчик и приемник должны работать по единым правилам. В этом заключается единственно возможный способ сравнения двух последовательностей. В случае присутствия внешних воздействий передать на дальний конец полные данные о последовательности (дублирование данных) оказывается дорогим и неэффективным методом, т.к. передаваемые данные также будут переданы с ошибками. Передать же правила формирования тестовой последовательности гораздо проще.

Неоспоримое преимущество использования тестовой последовательности – это высокая точность измерения параметра ошибки. Фактически при использовании тестовой последовательности инженер может контролировать параметр ошибки с точностью до бита информации. Такой параметр называется Bit Error Rate (BER) или параметр ошибок по битам. Этот параметр представляет собой самый точный метод контроля качества цифровой системы передачи.

Основным недостатком использования тестовой последовательности является то, что с необходимостью канал отключается от системы передачи для проведения измерений. Часто метод измерения BER называют по этой причине методом измерения с отключением канала. В случае передачи реального трафика на стороне В не может быть точного знания об ожидаемой последовательности, так что методика рис. 6.2 не подходит. В качестве возможного решения был предложен метод, представленный на рисунке 6.3.

Рисунок 6.3 – Метод измерения параметра ошибки без отключения канала

Суть метода состоит в том, что передаваемые данные реального трафика разделяются на блоки данных. Затем перед началом передачи данных в системе передачи над блоком совершается специальные вычисления, результат которых добавляется к блоку и передается на сторону В. На стороне приемника В над блоком производятся аналогичные вычисления, результат которых сравнивается с пересланным служебным полем от стороны А. Если результаты вычислений не совпадают, делается вывод о присутствии ошибки в блоке данных. Таким образом, можно проводить измерения на реальном трафике, без отключения канала. Единство методики определяется тем, что контроллеры, производящие вычисления, действуют по единым правилам расчета.

Служебные данные, в которых отражается результат вычислений, обычно передаются в служебных полях цикловой структуры, так что метод измерения ошибки (рис. 6.3) актуален только в случае, если поток структурирован (имеет цикловую, кадровую или пакетную структуру). Это - основное требование методики. Если передаваемый поток в системе передачи неструктурирован, измерения блоковых ошибок невозможно.

Обычно структура потока определяет указанное в методике деление потока на блоки. Например, для системы ИКМ-30/31 блоком является половина сверхцикла ИКМ, а для кадра Frame Relay или HDLC - полезная нагрузка. Поскольку измерения ошибок делаются в блоках данных, параметр ошибок в этом случае обозначается как BLER (Block Error Rate).

Размер блока определяет точность определения параметра ошибок. Если в методике контроля BER с отключением канала мы можем контролировать BER с точностью до бита, то в методике контроля параметра ошибок без отключения канала мы можем контролировать параметр ошибок с точностью до блока. Можно показать, что точность измерения BLER и BER различается на размер блока. Например, если размер блока составляет 100 бит, то точность измерения BLER будет меньше точности измерения BER на два порядка.

Измерения BLER оказались столь эффективными, что были использованы в качестве основного метода встроенных систем диагностики ошибок. В качестве примера можно привести методики контроля ошибок по CRC (системы PDH) и по BIP (системы SDH).