Надежность и живучесть сетей СЦИ

Важным аспектом проектирования сетей СЦИ является обеспечение их надежности и живучести. Сама по себе аппаратура СЦИ, как уже указывалось выше, весьма надежна. Кроме того, встроенные средства контроля и управле­ния облегчают и ускоряют обнаружение неисправностей и переключение на резерв. Однако преимущества СЦИ в части надежности и живучести не реализуются в полной мере сами по себе. Это объясняется тем, что ВОЛС обладают огромной пропускной способностью, и отказ даже одного участка может привести к разрыву связи для десятков тысяч пользователей и значительным экономическим потерям.

Например, когда в начале 1991 года в США был случайно оборван один оптический кабель, обслуживающий Нью-Йорк, то 60% всех вызовов на город­ской сети оказались блокированы на 8 часов, прекратилась работа товарных бирж, на 5 часов были выведены из строя средства управления воздушным движением в аэропортах Нью-Йорка, Вашингтона и Бостона.

Поэтому необходимо применять специальные меры по обеспечению отказоустойчивости сетей, закладывая резервные емкости и предусматривая алгоритмы реконфигурации сетей при отказах ее элементов. Целый ряд факторов облегчает принятие указанных мер: значительные емкости ВОЛС и снижение стоимости одного каналокилометра в них; наличие средств контроля и управления СЦИ; деление сети СЦИ на независимые функциональные слои; возможности интеллектуальных мультиплексоров и АОП.

Отмеченные обстоятельства привели к концепции построения самовос­станавли­вающихся сетей на основе СЦИ. Ее суть — создание сети, которая при выходе из строя отдельных элементов способна сохранять или автоматически восстанавливать в короткое время нарушенные связи без серьезных последствий для пользователей.

Простейшим способом самовосстановления является резервирование по схеме 1+1 при сквозном соединении («точка-точка»). В этом случае два пункта соединяются между собой двумя кабелями по географически разнесенным трассам. Каждый сигнал передается одновременно по обеим трассам, а на приемном конце осуществляется автоматический контроль поступающих сигналов и выбор лучшего из них.

Рис. 11.12. Однонаправленное кольцо

Возможности МВВ позволяют организовывать кольцевые самовос­­ста­на­в­ли­вающиеся сети. Существуют два варианта их построения: однонаправлен­ное и двунаправленное кольцо. При первом варианте каждый входной поток направляется вокруг кольца в обоих направлениях, а на приемной стороне, как и в случае схемы 1+1, осуществляется выбор лучшего сигнала. Для построения кольца используются два волокна. Передача по всем основным путям происхо­дит в одном направлении (например, по часовой стрелке), а по всем резервным — в противоположном (деление на основной и резервный пути здесь является условным, так как они оба равноправны). Поэтому такое кольцо называется од­нонаправленным, с переключением трак­­тов или с закрепленным резервом. Схе­ма прохождения сигналов обоих направлений передачи для одного соеди­нения по основному и резервному путям в таком кольце изображена на рис. 11.12.

В случае двунаправленного кольца с двумя волокнами удвоение сигнала не производится. При нормальной работе каждый входной поток направляется вдоль кольца по кратчайшему пути в любом направлении (отсюда и название «двунаправленное»). При возникновении отказа посредством МВВ на обоих концах отказавшего участка осуществляется переключение всего потока информации, поступавшего на этот участок, в обратном направлении. О таком кольце также говорят, что в нем осуществляется переключение секций или защита с совместно используемым резервом.

Рис. 11.13. Двунаправленное кольцо в штатном режиме

Пример двунаправленного кольцаприведен на рис. 11.13 и рис. 11.14. На них показаны схемы прохождения сигналов обоих направлений передачи для одного соединения при штатном режиме работы (рис. 11.13) и в аварийном режиме при отказе одного из участков кольца, перечеркнутого крестом (рис. 11.14).

Возможно также двунаправленное кольцо с четырьмя волокнами. Оно обеспечивает более высокий уровень отказоустойчивости, чем кольца с двумя волокнами, однако затраты на его построение существенно больше, поэтому такой вариант применяется реже. Двунаправленное кольцо в большинстве случаях оказывается более экономичным, требуя меньшую пропускную способность. Это объясняется тем, что сигналы, передаваемые на различных непересекающихся участках такого кольца, могут использовать одни и те же емкости (как в основном, так и в аварийном режимах работы). В то же время однонаправленное кольцо проще в реализации. Анализ типичных ситуаций показывает, что каждый из двух видов кольцевой структуры имеет свою область предпочтительного применения.

Рис. 11.14. Двунаправленное кольцо в аварийном режиме

Для сети с произвольной структурой, в узлах которой установлена АОП, в случаях возникновения на сети отказов, разрывающих имеющиеся тракты, возможно переключение потоков с использованием резервов пропускной способности работоспо­соб­ных линий (реконфигурация). На рис. 11.15 показан пример фрагмента сети и схема прохождения трактов на нем при нормальном режиме работы. На рис. 11.16 — тот же фрагмент после рекон­фи­гу­ра­ции, вызванной отказом линии между узлами А и В.

Полностью распределенные процедуры не требуют наличия подобного центра. В этом случае при возникновении отказов на сети комплекты АОП различных узлов, обмениваясь между собой сообщениями, определяют состояние сети, вырабатывают согла­сованное решение по реконфигурации и реализуют принятое решение. Основной недостаток — гораздо большая сложность распределенных процедур, и как следствие — большие временные затраты на их выполнение.

Далее, выбор нового плана распределения потоков может осуществляться, или путём обращения к процедурам поиска в ответ на изменение состояния сети в реальном масштабе времени, или на основании заранее рассчитанных и хранящихся в памяти процессоров центра управления или АОП конфигурационных таблиц. В первом варианте в принципе может быть проанализирована любая ситуация на сети, однако здесь следует учитывать ограничение на время принятия решения. Во втором — возникает трудность, обусловленная тем, что общее число всех возможных состояний сети весьма велико. Поэтому иметь таблицу, охватывающую все множество состояний невозможно, так как ее хранение потребовало бы недостижимого на практике объема памяти, а время поиска в ней было бы недопустимо большим. В связи с этим приходится ограничиваться некоторым подмножеством состояний сети, размер которого выбирается с одной стороны, учитывая требования по отказоустойчивости, а с другой — исходя из реальных возможностей по объему памяти и быстродействию. Например, это подмножество может включать только состояния с одним отказавшим элементом, или все состояния с одним отказом и часть состояний с двумя и т.п.

Наконец, существуют комбинированные методы. Например, возможен подход, при котором АОП всех узлов хранит конфигурационные таблицы, охватывающие некоторое подмножество возможных состояний сети. При отказах включается распределенная процедура определения состояния сети, после выполнения которой принима­ется решение о реконфигурации на ос­но­вании имеющихся таблиц. Состо­яние всей сети контролируется так­же единым центром, который при необходимости обновляет конфигурационные таблицы и рассылает их всем узлам. В этом случае выход из строя центра управления не приведет к полной блокировке процедур «саморегенерации», а может то­ль­ко снизить их эффективность.

Выше были описаны основные сетевые конфигурации и подходы к их самовосстановлению. Они могут при­меняться не только в чистом виде, но и в различных комбинациях. Как правило, построение достаточно боль­ших сетей будет требовать применения многих, если не всех, из рассмотренных методов. Это видно уже из схемы 3-уровневой архитектуры сети.

Весьма перспективным представляется построение сетей СЦИ в виде нескольких объединенных колец. Например, сеть может состоять из нескольких колец доступа, связанных посредством главного кольца. В связи с этим заслуживают внимания проблемы сопряжения и взаимодействия колец между собой. Возможны различные варианты их организации, использующие в узлах межкольцевой связи МВВ и АОП.

Схема объединения колец посредством МВВ представлена на рис. 11.17. При этом несколько МВВ образуют своего рода распределенный узел оперативного переключения. Такой вариант возможен, когда число колец невелико и потоки между ними небольшие.

Более широкие возможности предоставляет использование АОП (рис. 11.18). При этом, как видно из рисунка, могут быть организованы и логические кольца, охватывающие различные цепочки МВВ.

В целом применение смешанной структуры, использующей как коль­цевые структуры, так и АОП, позволяет эффективно строить сети, обеспечивая тот же уровень отказоустойчивости, что и у чисто кольцевой сети, при меньшей суммарной пропускной способности всех линий. Наиболее прост и дешев вариант объединения колец, когда два смежных кольца имеют только один общий узел. Однако он обладает тем недостатком, что при выходе из строя этого узла связь между кольцами прерывается. Поэтому обычно рекомендуется применять для сопряжения колец два узла. Это обеспечивает устойчивость сети по отношению к одиночным отказам элементов.

В некоторых случаях требуется обеспечить возможность бесперебойной работы не только при любых одиночных отказах, но и при любом сочетании двух одновременно неработоспособных элементов в различных кольцах (по одному в каждом). Для этого каждый поток, направляемый в смежное кольцо, должен достигать обоих узлов сопряжения, а эти узлы оснащаются специальными устройствами для выбора и переключения сигналов.

Таким образом, выбор структуры сети требует детального анализа, учитывающего, в частности, размеры сети, требования по надежности и живучести, распределение нагрузки между узлами и другие факторы.

Радиолинии и системы передачи сообщений с радиоканалами

В тех случаях, когда возникают трудности прокладки проводных линий связи, используются радиолинии. Принципиальное отличие радиосистем передачи информации заключается в том, что условия распространения радиоволн в радиолинии нестационарны, т.е. подвержены непрерывным изменениям, зависящим от времени и частоты. Однако передача с помощью радиоволн в некоторых случаях является единственным методом связи (например, связь с подвижными объектами).

В настоящее время применяются различные системы радиосвязи: радиорелейные прямой видимости и тропосферные, спутниковые, на декаметровых волнах, ионосферные и пр.

Рис. 12.1. Структура системы радиосвязи

Для обеспечения односторонней радиосвязи (рис. 12.1) в пункте, из которого ведется передача сигналов, размещают радиопередающее устройство, содержащее радиопередатчик Р_пер и передающую антенну А_пер, а пункте, в котором ведется прием сигналов — радиоприемное устройство, содержащее приемную антенну А_пр и радиоприемник Р_пр. Антенны подключаются к приемопередающему оборудованию при помощи фидерных трактов Ф. Для двухстороннего обмена сигналами нужно иметь два комплекта оборудования. Двухсторонняя радиосвязь может быть симплексной или дуплексной. При симплексной радиосвязи передача и прием ведутся поочередно. Радиопередатчики в конечных пунктах в этом случае могут работать на одинаковой частоте, на эту же частоту настроены и радиоприемники. Радиопередатчик включается только на время передачи.

При дуплексной радиосвязи передача осуществляется одновременно с приемом. Для связи должны быть выделены две разные частоты для передачи в разных направлениях. Радиопередатчики и радиоприемники абонентов включены в течение всего сеанса связи.

Радиопередающие устройства

В функциональном смысле под радиопередающим устройством понимается комплекс оборудования, предназначенный для формирования и излучения радиочастотного сигнала (радиосигнала). В качестве функциональных узлов в состав радиопередатчика входят генератор несущей и модулятор. Как правило, генератор несущей и модулятор строятся по многокаскадной схеме. Кроме того, в состав радиопередающих устройств (особенно мощных) входит много другого оборудования: источники питания, средства охлаждения, автоматического и дистанционного управления, сигнализации, защиты и блокировки и пр.

Основные показатели радиопередающих устройств условно могут быть разделены на три группы: энергетические, показатели электромагнитной совместимости и качественные.

Важнейшими энергетическими показателями радиопередающего устройства являются номинальная мощность и промышленный коэффициент полезного действия. Под номинальной мощностью радиопередающего устройства P понимают среднее за период радиочастотного колебания значение энергии, подводимой к антенне. Промышленный коэффициент полезного действия КПД представляет собой отношение номинальной мощности P к общей P_общ, потребляемой от сети переменного тока радиопередающим устройством

.

Основными показателями электромагнитной совместимости являются диапазон рабочих частот, нестабильность частоты колебаний и внеполосные излучения. Диапазоном рабочих частот называют полосу частот, в которой радиопередающее устройство обеспечивает работу в соответствии с требованиями стандарта. Под нестабильностью частоты радиопередатчика понимают отклонение частоты колебаний на его выходе за определенный промежуток времени относительно установленной частоты. Малая нестабильность (высокая стабильность) частоты позволяет ослабить помехи радиоприему. Внеполосными называют такие излучения, которые расположены вне полосы, отведенной для передачи полезных сообщений. Внеполосные излучения являются источником дополнительных помех радиоприему. В случае подавления внеполосных излучений качество передачи сигнала не ухудшается.

По назначению радиопередающие устройства делятся на связные, радиовещательные и телевизионные. По диапазону рабочих частот радиопередающие устройства подразделяются в соответствии с классификацией видов радиоволн. В зависимости от номинальной мощности радиопередающие устройства делятся на маломощные (до 100 Вт), средней мощности (от 100 до 10 000 Вт), мощные (от 10 до 500 кВт) и сверхмощные (свыше 500 кВт).

Специфика эксплуатации позволяет выделить стационарные и подвижные радиопередающие устройства (автомобильные, самолетные, носимые и т.д.).

Радиоприёмные устройства

Радиоприём — это выделение сигналов из радиоизлучения. В том месте, где ведется радиоприем, одновременно существуют радиоизлучения от множества естественных и искусственных источников. Мощность полезного радиосигнала составляет очень малую долю мощности общего радиоизлучения в месте радиоприема. Задача радиоприемного устройства сводится к выделению полезного радиосигнала из множества других сигналов и возможных помех, а также к воспроизведению (восстановлению) передаваемого сообщения.

Основными (в смысле универсальности) показателями радиоприемных устройств являются диапазон рабочих частот, чувствительность, избирательность и помехоустойчивость.

Диапазон рабочих частот определяется диапазоном возможных частот настройки. Другими словами, это область частот настройки, в пределах которой радиоприемное устройство может плавно или скачкообразно перестраиваться с одной частоты на другую.

Чувствительность является мерой способности радиоприемного устройства обеспечивать прием слабых радиосигналов. Количественно оценивается минимальным значением ЭДС сигнала на входе радиоприемного устройства, при котором имеет место требуемое отношение сигнал-шум на выходе при отсутствии внешних помех.

Свойство радиоприемного устройства, позволяющее отличать полезный радиосигнал от радиопомехи по определенным признакам, свойственным радиосигналу, называется избирательностью. Иначе, это способность радиоприемного устройства выделять нужный радиосигнал из спектра электромагнитных колебаний в месте приема, снижая мешающие радиосигналы.

Различают пространственную и частотную избирательности. Пространственная избирательность достигается за счет использования антенны, обеспечивающей прием нужных радиосигналов с одного направления и ослабление радиосигналов с других направлений от посторонних источников. Частотная избирательность количественно характеризует способность радиоприемного устройства выделять из всех радиочастотных сигналов и радиопомех, действующих на его входе, сигнал, соответствующий частоте настройки радиоприемника.

Помехоустойчивостью радиоприёмного устройства называется его способность противодействовать мешающему действию помех. Количественно помехоустойчивость оценивается тем максимальным значением уровня помехи в антенне, при котором еще обеспечивается прием радиосигналов.

Радиоприемные устройства можно классифицировать по различным признакам. Например, по схемным решениям радиоприемные устройства могут быть прямого усиления и супергетеродинные. По назначению можно выделить радиовещательные (обычно называемые как радиоприемники или приемники), телевизионные (телевизоры), профессиональные, специальные радиоприемные устройства. К профессиональным относятся магистральные радиоприемные устройства декаметрового диапазона, радиорелейных и спутниковых ЛС. Среди радиоприемных устройств специального назначения следует назвать, например, радиолокационные, радионавигационные, самолетные и т.д.

Антенны и фидеры

Антенна представляет собой элемент сопряжения между передающим или приемным оборудованием и средой распространения радиоволн. Антенны, имеющие вид проводов или поверхностей, обеспечивают излучение электромагнитных колебаний при передаче, а при приеме они «собирают» падающую энергию.

Антенны, состоящие из проводов небольшого поперечного сечения по сравнению с длиной волны и продольными размерами, называют проволочными. Антенны, излучающие через свой раскрыв — апертуру, называют апертурными. Иногда их называют дифракционными, рефлекторными, зеркальными. Электрические токи таких антенн протекают по проводящим поверхностям, имеющим размеры, соизмеримые или много больше по сравнению с длиной волны.

Сравнивать и оценивать свойства антенн любых типов можно по их параметрам. Самым главным определяющим параметром передающей антенны как нагрузки для генератора или фидера является ее входное сопротивление. Параметром антенны как излучателя электромагнитных волн является коэффициент полезного действия, а также амплитудная характеристика направленности.

Входное сопротивление антенны определяется отношением напряжения высокой частоты на ее зажимах к току питания.

Не вся мощность, подводимая к антенне, излучается в окружающее пространство. Часть ее расходуется не на излучение, а теряется на нагревание как самой антенны, так и находящихся поблизости предметов. Отношение мощности, излученной антенной, к мощности, подводимой к ней, называют коэффициентом полезного действия антенны и выражают в процентах:

.

Рис. 12.2. Сферическая система координат

Электромагнитные волны излучаются антенной в различных направлениях неравномерно. Антенн, излучающих электромагнитные волны равномерно во все стороны, не существует. Распределение в пространстве напряженности электрического поля, созданного антенной, характеризуется амплитудной характеристикой направленности. Она определяется зависимостью амплитуды напряженности создаваемого антенной поля (или пропорциональной ей величины) от направления на точку наблюдения в пространстве. Направление на точку наблюдения определяется азимутальным j и меридиональным q углами сферической системы координат, как показано на рис. 12.2. При этом амплитуда напряженности электрического поля измеряется на одном и том же (достаточно большом) расстоянии r от антенны. Графическое изображение характеристики направленности называют диаграммой направленности. Пространственная диаграмма направленности изображается в виде поверхности f(j ,q). Построение такой диаграммы неудобно, поэтому на практике обычно строят диаграмму направленности в какой-нибудь одной плоскости, в которой она изображается плоской кривой f(j) или f(q) в полярной или декартовой системе координат.

Помимо рассмотренных основных электрических параметров антенн существует целый ряд дополнительных специфических параметров как электрических, так и экономических, конструктивных, эксплуатационных.

Что касается приемных антенн, то оказывается, что количественно электрические параметры передающих и приемных антенн одни и те же, хотя физическое объяснение дается с точки зрения приема.

Приемная антенна имеет такие же значения входного сопротивления, коэффициента полезного действия и такую же диаграмму направленности, какие она имела бы при работе в качестве передающей. Существенным различием в работе передающей и приемной антенн является то, что в передающей антенне используются большие токи и напряжения, а в приемной — очень незначительные.

Особенности передающих антенн различных диапазонов. Километровые и гектометровые радиоволны широко используются для организации сети звукового радиовещания. Передающие антенны, как правило, устанавливаются в центре зон обслуживания, и поэтому должны создавать ненаправленное излучение вдоль поверхности Земли, т.е. иметь диаграмму направленности в горизонтальной плоскости в виде окружности. Таким условиям отвечают антенны-мачты и антенны-башни. Их высота обычно 150...250 м, а некоторые антенны имеют высоту до 350 и даже 500 м.

Рис. 12.3. Диаграммы направленности: а) — объёмная,