ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕТЕХНОЛОГИИ: ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ И РАЗВИТИЕ
Содержание
1. Закономерности развитияизмерительных технологий
1.1 Современная НТР в областителекоммуникаций. Понятие измерительной технологии
1.2 Динамика развития технологиина рынке
1.3 Социально-психологическиепроцессы, связанные с развитием технологии на рынке
1.4 Повышение роли измерительнойтехники с развитием технологий телекоммуникаций
2. Системное и эксплуатационноеизмерительное оборудование
3. Методология измерений
4. Основная задача методологии измерений. Особенностиметодологии измерений сигналов систем связи
5. Основные параметры, измеряемыев бинарном цифровом канале
6. Тестовые последовательности
1. Закономерности развития измерительных технологий
1.1 Современная НТР в области телекоммуникаций.Понятие измерительной технологии
Современное развитие информационных ителекоммуникационных технологий можно охарактеризовать как научно-техническуюреволюцию (НТР). НТР в области телекоммуникаций связана с широкомасштабнымвнедрением микропроцессорной техники и переходом к цифровым методам коммутациии передачи.
Необходимо учесть, что специфика современной НТРсостоит в том, что это — технологическая революция. Понятие технологии выходит на первый план и требуетнового подхода к анализу и описанию явлений, связанных с развитием современныхсредств связи. Применительно к описанию методов измерений в современных сетяхсвязи этот подход означает введение нового ключевого определения — измерительнойтехнологии — для описания иклассификации методов измерений. Измерительная технология или технологияизмерений в дальнейшем будет означать совокупность методов, подходов корганизации измерений и интерпретации результатов, конкретных методик, а такжеизмерительных средств (приборов и средств контроля), необходимая длякачественного обслуживания соответствующего направления развития технологиисредств связи. Как видно изопределения, измерительная технология тесно связана с соответствующейтехнологией телекоммуникаций.
Чем обусловлена необходимость введения понятияизмерительной технологии как основного понятия для описания и классификациисовременных методов эксплуатационных измерений на сетях связи? Тому естьнесколько причин.
Во-первых, технологический характер современной НТР,характерной чертой которой является настолько высокая скорость сменытехнологий, что она не позволяет большей части связного сообщества осознать всеновые нюансы технологии в полной мере. Действительно, понимание специалистами вобласти связи современных технологий телекоммуникаций значительно отстает отразвития самих технологий. Отставание проявляется в отсутствииучебно-справочных материалов, малом количестве профессионалов в технологии,пока невысоким уровнем статей в научно-технической прессе. Необходимо отметить,что такое отставание не является сугубо характерным для нашей страны, оноотмечается даже в самых развитых в области телекоммуникаций странах. Временныерамки существования и смены технологий на рынке уменьшаются, в результатестановится невозможным рассматривать методологию измерений как стационарныйпроцесс, необходимо включить в рассмотрение фактор времени. В результате появляется необходимость не просторассматривать технологию измерений, но и рассматривать динамику ее развития нарынке.
Во-вторых, современное развитие измерительной техники идет попути ее высокой специализации. Развитие современной измерительной техники длятелекоммуникаций привело к появлению рынка специализированной техники,предназначенной для обслуживания и эксплуатации систем связи. В результатесмены технологий рынок специальной измерительной техники меняется оченьдинамично, возникает задача ее классификации, решить которую безтехнологического подхода невозможно.
В-третьих, в последнее время растет технологичностьсовременного оборудования, более половины средств мировоготелекоммуникационного рынка отводятся на развитие программных средств.Программное обеспечение в современных устройствах телекоммуникаций обновляетсяв среднем раз в два года, радикально изменяя структуру и возможностисовременных телекоммуникационных систем. Технологичность в областиизмерительной техники связана с появлением и развитием целого классаизмерительных приборов — анализаторов протоколов и логического взаимодействияинтеллектуальных устройств. Этот класс измерительной техники не рассматриваетсясовременной метрологией, тем не менее он имеет высокую эксплуатационнуюзначимость. Включить в общее рассмотрение этот класс техники возможно, толькорассматривая вопросы по организации эксплуатационных измерений в комплексе.Переход к рассмотрению комплексных решений требует введения понятияизмерительной технологии.
На основании всего перечисленного вышетехнологический подход к описанию эксплуатационных измерений на сетях связиявляется оправданным. Этот подход положен в основу настоящей книги, посвященнойвопросам эксплуатационных измерений на сетях связи. В результате рассмотренадинамика развития измерительных технологий, построена классификация современныхтехнологий измерений, для каждой технологии приводятся конкретные подходы корганизации измерений и интерпретации результатов, даются описанияизмерительных средств, представленных на современном мировом рынке.
Предлагаемый подход является в отечественнойпрактике новым, и автор надеется, что такой метод описания будет наиболеепонятен для специалистов в области эксплуатации современных систем связи.
Предлагаемая глава посвящена технологическомуподходу к описанию процессов, имеющих место в современных телекоммуникациях.
Для начала описания важными можно считать следующиенесколько вопросов, ответы на которые сразу дают фундамент для пониманиядинамики развития новых технологий.
• Как технологии сменяютдруг друга?
• Как развиваетсятехнология на рынке?
• Какиесоциально-психологические процессы сопутствуют развитию технологии на рынке?
Рассмотрение данных аспектов в условияхотечественного рынка особенно важно для связного сообщества. Рыночные отношенияуже основательно вторглись в область телекоммуникаций, однако до конца не нашлиотражение в менталитете специалистов. До последнего времени даже в статьяхэкономической направленности командно-административное (директивное) видениеразвития рынка явно преобладает над видением развития как непрерывного диалогапоставщиков и заказчиков оборудования и услуг.
Рассмотрение упомянутых выше вопросов важно темболее, что неправильные на них ответы приводят и будут приводить к существеннымошибкам стратегического планирования, в том числе и в области измерительнойтехники.
Ниже мы постараемся дать ответы на перечисленныевопросы и сделать по возможности выводы, касающиеся текущего положения дел всвязи и будущих перспектив. Сразу необходимо оговориться, что предлагаемыйматериал является результатом аналитических выводов автора, которые могут бытьоспорены.
1.2 Динамика развития технологии нарынке
Рассматривать процессы развития технологий в виде«волн» было бы слишком упрощенно. Чтобы иметь полное представление отом, что несет с собой новая технология, и для всестороннего анализа ееразвития, необходимо также рассмотреть социально-экономические процессы,которые сопровождают прохождение «волны».
В качестве иллюстрации на рис.1.2 представленадинамика развития во времени технологии на рынке и соответствующее поведениеряда важных параметров, сопровождающих этот процесс. Эти параметры определяютвозможность использования технологии в телекоммуникациях. К ним относятсяпараметр стоимости технических решений, средний уровень знаний связногосообщества о технологии, а также надежность технических решений.
/> />
Как видно из графиков, представленных нарис. 1.2, в начале развития технологии стоимость технических решений чрезвычайно высока. Здесь участвует не толькостоимость нового высокотехнологичного оборудования, но и затраты, необходимыедля проведения необходимых доработок (по закону Мерфи устройство скорее всегосразу не заработает), проведения «полевых» испытаний новоготехнического решения, дополнительных доработок устройств для сопряжения ссуществующей сетью. Поэтому на ранних стадиях стоимость внедрения технологиикрайне высока. Затем, по мере накопления опыта внедрения технологии и решениявопросов внутренней и внешней интеграции устройств, стоимость начинает падать идоходит до оптимального стабилизированного уровня. После того, как технологиястановится устаревшей и постепенно начинает уходить с рынка, стоимостьтехнических решений увеличивается. Само оборудование дорожает до уровняантиквариата. С рынка исчезают запасные части и компоненты устройств, чтозначительно увеличивает стоимость эксплуатации технологии.
Средний уровень знаний связногосообщества включает в себя знаниякак пользователей (заказчиков) оборудования, так и знания поставщиков.Поставщики получают новые знания о технологии первыми, но и это требуетопределенного времени. В начале развития технологии на рынке знаний о нейпрактически нет. Существенно, что начало графика стоимости опережает началографика уровня знаний, сперва технология приходит на рынок, а уже потомпоявляются реальные практические знания о ней. По мере накопления опыта,появления литературы, написанной профессионалами, уровень знаний о технологииувеличивается, достигая необходимого максимума. Затем происходит снижениеуровня знаний о технологии, когда она становится устаревшей. Это связано с тем,что часть специалистов по технологии переквалифицируются на новую технологию, адругие — уходят на пенсию. В конце концов технология становится достояниемполитехнических музеев, где практические знания о ней хранят только историки.
Интересна закономерность развития надежности технических решений сиспользованием технологии. Графикнадежности технических решений отстает от графиков стоимости и уровня знаний.Новая технология в руках неквалифицированных пользователей не может бытьосновой надежной работы системы связи. По мере развития самой технологии истабилизации опыта ее использования надежность технических решений повышается,достигая стабилизации. Дальнейшее повышение надежности в период старения технологиисвязано с известным статистическим процессом «что сломалось, то ужесломалось, а что работает, то и будет продолжать работать» даже приотсутствии запасных частей.
Помимо объективных тенденций, связанных с развитиемтехнологии на рынке, на него оказывают существенное влияниесоциально-психологические процессы, идущие в связном сообществе. Новаятехнология представляет собой сумму новых знаний, которые должны бытьвосприняты и внедрены связным сообществом, специалистами, операторами,поставщиками и заказчиками. Процесс принятия новых знаний являетсясоциально-психологическим процессом и требует отдельного рассмотрения, что мы исделаем ниже. Для этого зная процессы, сопровождающие развитие технологии,можно условно разделить ее «жизненный цикл» на четыре периода ирассмотреть социально-психологические процессы в связном сообществе,характерные для каждого периода.
1.3 Социально-психологические процессы, связанные сразвитием технологии на рынке
Этап 1 — процесс становлениятехнологии на рынке. Новыетехнические решения только появились на рынке. Они очень дороги. Нипотенциальные заказчики, ни поставщики оборудования в полной мере непредставляют всех нюансов и обучаются в процессе работы. Первые решенияработают нестабильно и требуют доработки в «полевых» условиях.Единственный актив состоит в том, что они обещают в будущем существенныепреимущества. Основывать свои технические решения на новой технологии этогоэтапа развития — значить ставить на заведомо неконкурентоспособное решение,дорогое, непонятное и ненадежное. Позволить такое себе могут только крупныеоператоры в опытных зонах внедрения. Другие операторы, поставив на новуютехнологию, рискуют банкротством. Внедрение технологии на этом этапе ееразвития представляет собой благотворительный взнос ради будущего технологиисвязи. Есть существенный риск, что закупленное оборудование, будучи новым иопытным, не даст возможности в будущем пользоваться всеми преимуществами новой технологии.
Рассмотрим теперь социально-психологические факторыпонимания технологии связным сообществом. Этап характеризуется становлениемтехнологии на рынке. Законы рынка требуют от фирм-поставщиков направить всесвои усилия на рекламу новой технологии. О ней говорят как о новом прорыве,всячески описывая ее преимущества и замалчивая целесообразность текущеговнедрения. Ей посвящены новые обзоры, проблемные статьи, рапорты о новыхвнедрениях и их результатах (обычно в мажорных тонах). В результате возникает иллюзия единственно верного пути — внедрить технологию у себя, т.е. основания дляслепого оптимизма. «Отсутствие реальных практических знаний о технологии,проблемах, с ней связанных и путях их решения, приводит к идеализации технологии. Рождается миф о ее великом потенциале и решении всехпроблем. Поддавшиеся на искушение финансируют развитие новых технологий.
В качестве примера можно рассмотреть современноесостояние с технологией ATM на отечественном и мировом рынке. Критическийанализ тех статей, которые посвящены этой технологии, покажет, что статейпрактической направленности почти нет, в основном это реклама новых приложений ATM. В то же время ATM в настоящее время является самой цитируемойтехнологией. Однако в современной практике системного проектированияприложения, в которых ATM оказалась бы единственным возможным вариантомрешения, встречаются редко.
Нисколько не умаляя необходимости внедрения ATM на рынке России, хотелось бы еще раз указать, чтотакое внедрение является опытным. В этой связи включение концепции ATM в федеральную программу развития связи являетсяправильным решением, решение о создании нескольких опытных зон внедрения ATM (еще лучше, если это будут затем зоны коммерческогоиспользования) — решение безусловно прогрессивное. В то же время ориентация натехнологию ATM как основу построения сетей некоторых ведомственныхоператоров — решение спорное.
Этап II — стабилизация технологиина рынке. В начале этого этапапоявляется „прозрение заблуждающихся“, характеризующееся полемикой втехнической прессе, настолько ли эффективна новая технология, и действительноли она необходима на рынке. Такого рода вопросы — закономерный процесс переходаот первичной эйфории к конструктивному обсуждению на основе первого опыта.Обсуждение очень важно, поскольку раскрывает все основные и дополнительныенюансы технологии, она становится знакомой, известной, в широком смыслеотработанной на рынке. На этом этапе можно порекомендовать ее использованиебольшинством операторов, что в конце концов и происходит. В результате новаятехнология становится модной в хорошем смысле этого слова, она становится парадигмой ииспользуется большинством операторов. Конецэтого периода характеризуется отношением здорового энтузиазма к внедрению новойхорошо знакомой технологии. Решения становятся надежными, знания о технологиипостепенно наполняют учебные пособия и становятся классическими. Полемика впрессе умолкает — технология заняла свое достойное место.
В качестве примеров на российском рынке можноуказать технологию ISDN, которая только что миновала этап полемики о еенеобходимости, но еще не достигла этапа здорового энтузиазма. Существенно, чтопоследние статьи по этой технологии носят явно практический характер. Вторымпримером можно назвать технологию Frame Relay. Ее развитие в полной мере должно начаться сшироким внедрением ISDN, используемой Frame Relay в качестве транспортной среды.
Очень показательным примером является технология SDH, которая стала современной парадигмой построенияцифровой первичной сети. На пороге этого этапа стоит технология ATM.
Этапы III-IV — зрелость и старостьтехнологии. Как правило, оба этапахарактеризуются полным молчанием относительно технологии в технической прессе.В этом нет необходимости. Технология известна, она вошла в учебники и пособия.Появились хорошие инструкции по эксплуатации, имеется широкий штат специалистовс большим опытом обслуживания технических средств. Сами технические средствавключены в программы ВУЗов. Изредка появляются статьи, в которых рассказываетсяоб упущенных в ходе обсуждения на этапе II нюансах и скрытых резервах технологии,но в целом обсуждение технологии исчезает до исчезновения самой технологии.
В качестве примеров технологий этапа III могут быть указаны модемная передача данных (заисключением новых типов протоколов), PDH, квазиэлектронные АТС.
В качестве примеров технологии этапа IV — аналоговыесистемы передачи, координатные и декадно-шаговые АТС.
1.4 Повышение роли измерительной техники с развитиемтехнологий телекоммуникаций
Теперь от рассмотрения технологии телекоммуникацийперейдем к рассмотрению движущих сил и динамики технологий измерений.
Процесс совершенствования измерительных технологийтесно связан с общей тенденцией усложнения высоких технологий в процессе ихразвития во второй половине XX века. Основными тенденциями развития являются: миниатюризация, экономичность и, какследствие, усложнение.
Этот процесс наглядно виден на примере развитиясовременных технологий цифровой связи. Так, сложность систем связи объективноповышается с переходом к цифровым системам передачи с высокой пропускнойспособностью (SDH), новым принципам мультиплексирования (ATM), новым концепциям систем сигнализации (ОКС 7 ипротоколов ведомственных сетей ISDN), новым сетевым концепциям предоставления услугпользователям (интеллектуальные сети). Этот процесс связан с увеличениемпропускной способности систем передач, снижением стоимости интеллектуальныхустройств и внедрением в современные телекоммуникации принципов распределеннойобработки информации. В связи с этим возникают задачи контроля и настройкиработы интеллектуальных систем, каковыми в настоящее время являются сети связи.Этот процесс идет двумя путями: первый — развитие систем внутренней диагностикиинтеллектуальных узлов сетей, второй -применение современной измерительнойтехники.
Учитывая, что развитие средств связи идет оченьдинамично, разработка систем самодиагностики и их отработка несколько отстаютот развития самих средств связи. Таким образом, применение независимых отоборудования систем контроля в ряде случаев является единственно корректнымрешением. В результате роль измерительной техники на сети связи повышается сразвитием новых технологий.
Измерительная техника на сетях современныхтелекоммуникаций играет важную роль — настройка и оптимизация сетей связи,поиск неисправностей и причин конфликтов, разрешение конфликтных ситуаций.Таким образом, основной движущей силой развития измерительных технологийявляется усложнение современных систем связи.
Распространенное мнение о том, что цифровые системысвязи лучше, надежнее и поэтому требуют в меньшей степени обслуживания на этапеэксплуатации, не верно. Действительно, верно, что цифровые технологииобеспечивают лучшее качество связи, меньшие эксплуатационные затраты, лучшийконтроль за ресурсом сети. Верно также, что хорошо отлаженная,»ухоженная" цифровая сеть требует в меньшей степени обслуживания.Однако также верно, что «неухоженная» цифровая сеть деградируетгораздо быстрее аналоговой и требует при восстановлении гораздо больших затрат.Это — объективная плата за сложность технологии цифровой передачи. Цифровымте-лекоммуникациям'свойственен так называемый «пороговый эффектдеградации», когда ухудшение параметров не приводит долгое время кухудшению качества связи. При достижении определенного порога параметрыкачества изменяются скачкообразно. Обычно в этом случае довольно сложновыделить сразу причину нарушения связи, поскольку причиной является накопленныев течении длительного времени отклонения от нормы нескольких параметров.
На практике часто встречается заблуждение о том, чтоиностранные фирмы, обеспечивающие пуск участков цифровых сетей, должным образомнастроят сеть и в дальнейшем ее работа не потребует квалифицированнойэксплуатации. Такой подход ведет к зависимости операторов сети от инофирм, чтоявляется негативным фактором. С уверенностью можно сказать, что использованиесовременной измерительной техники дает операторам ключ к пониманию процессов,происходящих в сети. В этом случае поиск конфликтных ситуаций и противоречий,«тонкая настройка» сети помогают добиться максимальной эффективностиее работы, а также понять принципы новой технологии.
Эта роль измерительной техники является новой впрактике отечественной связи. До сих пор измерительная техника служила дляконтроля работы сети и соответствия ее узлов отечественным стандартам. В этомслучае имелись четкие рекомендации по методологии измерений на сетях связи,т.е. указания на прибор, методику измерений и параметры измерений. Всовременной ситуации процесс стандартизации технологии значительно отстает отразвития самих технологий. Четких рекомендаций по использованию измерительнойтехники и эксплуатационной методологии нет и в ближайшем будущем непредвидится. Измерительная техника, применяемая современными операторами,используется не только для проверки на соответствие стандартам (в первуюочередь международным), но и для изучения процессов, протекающих в сети. Этопозволяет операторам быстро осваивать новые технологии на международном уровне,что является необходимым условием дальнейшей успешной работы.
Еще одна важная особенность современной измерительнойтехники для телекоммуникаций состоит в том, что с развитием цифровизации сетейсвязи происходит упомянутая выше специализация измерительной техники. Еще 15-20лет назад для обслуживания аналоговых сетей связи применялась общеизмерительнаятехника (генераторы, осциллографы, частотомеры и т.д.) или ее модификации сучетом параметров систем связи. Развитие цифровых систем передачи и коммутациипривело в тому, что измерительная техника для телекоммуникаций стала высокоспециализированной. Это означает, что ее в большинстве случаев невозможноиспользовать в других областях человеческой деятельности. Современныеизмерительные приборы для телекоммуникаций, такие как анализаторы протоколовсигнализации, анализаторы цифровых систем передачи, измерительные приборы ВОЛСи др., составляют рынок специализированной техники, который до последнего времени не рассматривался ни втехнической, ни в экономической литературе. Автор надеется, что настоящая книгастанет первым шагом к такому рассмотрению.
Необходимо сразу оговорить, что предметом книгиявляется рассмотрение современной цифровой сети связи. В отечественной практике пока 50-60% сетейаналоговые. Однако технология измерений таких сетей хорошо известна, закрепленастандартами и практическим опытом обслуживающего персонала, в то время какуровень знаний о технологии измерений на цифровой сети пока невелик ипрактически не всегда подкреплен. Поэтому предметом настоящей книги являетсяописание технологий измерений в цифровых системах связи, под структурой системыэлектросвязи будет пониматься структура цифровой системы связи и т.д. И хотядля достижения общности можно было бы рассмотреть отдельно технологию измеренийна аналоговых системах передачи и коммутации, автор считает это излишним,поскольку основной интерес у современных специалистов вызывает технологияизмерений именно в цифровых системах, где не до конца разработаны методики инет четкого понимания задач и методов измерений.
2. Системное и эксплуатационноеизмерительное оборудование
Всю измерительную технику современныхтелекоммуникаций можно условно разделить на два основных класса: системное иэксплуатационное измерительное оборудование.
Как показано ниже, требования к обоим классамзначительно отличаются, соответственно, отличаются функции приборов, схемы ихиспользования, спецификации тестов и т.д.
К системному оборудованию относится измерительное оборудование, обеспечивающеенастройку сети в целом и ее отдельных узлов, а также последующий мониторингсостояния всей сети. Системным оно названо потому, что современное оборудованиеэтого класса имеет широкие возможности интеграции в измерительные комплексы,сети измерительных приборов и входить в качестве подсистем в автоматизированныесистемы управления связью (Telecommunications Management Networks — TMN).
Эксплуатационное измерительноеоборудование должнообеспечивать качественную эксплуатацию отдельных узлов сети, сопровождениемонтажных работ и оперативный поиск неисправностей.
Разделив весь спектр оборудования на два основныхкласса, легко понять требования к каждому из них. Эти требования существенноразличны для перечисленных классов и представлены ниже в порядке уменьшенияприоритетности.
Требования кизмерительному оборудованию
Системноеоборудование Эксплуатационное оборудование
функциональностьтестов • портативность
возможность интеграциив системы • стоимость
быстрота и легкостьмодернизации • надежь
удобство эксплуатации •удобство эксплуатации
надежность •функциональность тестов
стоимостьпортативность
Для системного оборудования основным требованием является максимальная функциональностьприбора: его спецификация тестовдолжна удовлетворять всем существующим и большинству перспективных стандартов иметодологий. В противном случае прибор не обеспечит полной настройки и оценкипараметров сети или тестируемого устройства.
Вторым требованием является возможность интеграции всистемы приборов и интеграции с вычислительными средствами и сетями передачиданных. Это также существенно в условиях создания TMN, куда должны быть включены и измерительные средства.
Требование модернизируемости важно в силу быстрогоразвития технологии и принятия новых стандартов.
Удобство работы является следующим по важностипараметром. Имеется ряд многофункционального системного оборудования с«недружественными» интерфейсами. Использование таких приборов требуетот специалиста долгого изучения прибора, что не всегда эффективно.
Стоимость для системного оборудования не являетсяпервичным критерием выбора, поскольку для приборов этого класса стоимостьнаходится в прямой зависимости от функциональности. Портативность для этогокласса оборудования не требуется.
В то же время эксплуатационное оборудование, в первую очередь, должно быть портативным и дешевым,затем надежным и уже после этого многофункциональным.
Следует сразу отметить, что предлагаемаяклассификация измерительного оборудования является условной, учитывая общуютенденцию к миниатюризации в современной электронной промышленности. В связи сэтим системное оборудование становится постепенно портативным, тогда какэксплуатационное оборудование становится все более многофункциональным.
Тем не менее разделение оборудования на системное иэксплуатационное полезно при сравнении оборудования различных производителей.
3. Методология измерений
В философском смысле методология — это учение оструктуре, логической организации, методах и средствах деятельности человека.Необходимость использования в настоящей книге понятия «методология»обусловлена тем, что в отечественной литературе нет понятия, определяющегообщие подходы и внутреннюю логику проведения измерений. Использовать для этойцели понятия «метод», «технология» и «методика»не совсем корректно. Поэтому в дальнейшем для описания «внутреннейтехнологии» эксплуатационных измерений будем пользоваться понятием«методология», как наиболее подходящим для этой цели.
4. Основная задача методологии измерений.Особенности методологии измерений сигналов систем связи
Основной задачей методологии измерений в современнойтехнике является разработка методик измерения физических величин, связанных с работой технических средств. Наука XXвека убедительно показала, что техническими средствами невозможно без ошибокопределить значение теоретической величины. Так при проектировании техническихсредств в основу расчета закладываются теоретические величины, которые на практике могут быть измерены только внекотором приближении. Поэтому в ряде случаев экспериментальные данные служатдля оценки параметра теоретической величины. Лучше всего это видно на следующемпримере.
Пример 4.1. Для проектирования работы цифровыхсистем передачи необходимо учитывать влияние ошибок, возникающих по тем илииным причинам в системе. Основным параметром расчета здесь выступаетвероятность возникновения ошибки p(t), которая является функцией времени и зависит от ряда факторови значений параметров, связанных с различным влиянием на систему. Примерамитакого влияния может служить интерференция сигналов в радиочастотных системахпередачи, алгоритмический джиггер в системах SDH и т.д.
В зависимости от природы влиянияна систему, характер функции p(t) может существенно отличаться для различных систем. Дляпроектирования необходим расчет функции вероятности в зависимости от параметроввнешнего влияния на систему для определения качественных параметров работыпроектируемой системы, определения ее устойчивости к внешним условиям и т.д.Проверить результаты расчетов можно только путем проведения эксперимента илипутем измерений на опытном образце. Однако теоретическая величина — функциявероятности возникновения ошибки в системе — не может быть измерена. Вместо нееизмеряется параметр ошибки по битам — BER, который может быть представлен как:
nr,n BITSerr
ВЕК = , где BITSerr ~ количество битов, пораженныхошибками,
BITS
a BITS — общее количество переданныхбитов. Эта величина связана с функцией вероятности возникновения ошибкиотношением:
/>
представляет собойматематическое ожидание функции вероятности. По
значению математического ожиданияфункция вероятности может быть восстановлена лишь с определенной степеньюдостоверности.
В описанном примере для того, чтобы на основаниирезультатов можно было бы восстановить функцию вероятности без ошибок,необходимо было бы проводить измерение ВЕЯ в течении бесконечно большого интервалаизмерений, что практически невозможно. Таким образом, полученное значениевсегда оказывается неким приближением теоретического и зависит от условийизмерения, которые определяются методологией измерений, ориентированной наминимизацию ошибки оценки теоретической величины.
В нашем примере основными параметрами измерения ВЕЯвыступают: алгоритм проведения измерений, интервал времени измерения и выбортестовой последовательности для измерения. Значения этих параметров зависят отпредполагаемого характера функции р(0 идолжны определяться в ходе разработки методики измерений.
Знание методологии измерений не являетсяобязательным для проведения эксплуатационных измерений при обслуживаниисовременных систем связи, которые и составляют предмет настоящей книги. Тем неменее включение этого материала в книгу по технологии измерений необходимо хотябы потому, что всегда остаются такие вопросы, как: «Когда я измеряю ВЕЯ,что же я действительно измеряю, как я это измеряю и не ошибаюсь ли я приизмерении?» Для ответа на эти вопросы необходимо знать основы методологииизмерений. Неправильно выбранная методология может привести к ошибке измерений,неправильной трактовке результатов и т.д. Поэтому даже самые общие сведения ометодологии могут быть чрезвычайно полезны при организации эксплуатационныхизмерений.
Автор постарается не перегружать данный разделматематическими выкладками, которые могут быть найдены в специальной литературепо методологии. Цель данного раздела — показать основные методы измерений,которые затем будут встречаться в книге, выделить подходы к разработке методикизмерений, нашедших отражение в международных стандартах. Тема методологииохватывает вторую часть книги и главы 4-7. Основной упор в материале делаетсяна описание методологии эксплуатационных измерений цифровых каналов (гл. 6).Специфика цифровых сигналов и возможность их представления в виде диаграммыописана в гл. 5, это рассмотрение полезно, поскольку в дальнейшем приведенныедиаграммы будут широко использоваться в материале книги, так что необходимоописание алгоритмов их построения. Широкий интерес к измерениям джиггера уотечественных специалистов привел к необходимости выделить методологиюизмерений джиггера в отдельную главу — гл. 7. Дополнительно, некоторыеспециальные вопросы методологии измерений параметров цифровых радиочастотныхсистем передачи рассматриваются в гл. 10. Представляется нецелесообразнымотделять методологию измерений радиочастотных сред передачи от реальныхпрактических методик эксплуатационных измерений.
Следует отметить, что основным предметом настоящегораздела является «внутренняя технология» измерений, а не конкретныеметоды эксплуатационных измерений. Читатели, ориентированные на изучениетехнологии эксплуатационных измерений при обслуживании сетей связи, могут безущерба пропустить этот материал, используя его при необходимости каксправочный.
5. Основные параметры, измеряемые вбинарном цифровом канале
Как уже отмечалось выше, технология измеренийпараметров бинарного цифрового канала является фундаментом для измерений любыхцифровых каналов, в связи с чем практически все параметры, измеряемые вбинарном цифровом канале, будут встречаться в технологии измерений цифровыхканалов первичной и вторичных цифровых сетей.
Прежде чем рассматривать технологию измеренийпараметров бинарного цифрового канала, необходимо определить эти параметры.Ниже приведены основные параметры, измеряемые в бинарном цифровом канале,которые описаны в соответствии с сокращениями, используемыми в меню большинстваприборов. В основном это параметры, используемые для анализа характеристикбинарного канала согласно рекомендациям ITU-T G.821,G.826 и M.2100.
AS — availability seconds время готовности канала (с) — вторичный параметр, равный разности между общейдлительностью теста и временем неготовности канала.
AS (%) — availability seconds относительное время готовности канала — параметр, характеризующий готовность канала,выраженный в процентах. В отличие от AS, AS (%) является первичным параметром и входит в числоосновных параметров рекомендации G.821. Его можно интерпретировать как вероятностнуюмеру качества предоставляемого пользователю канала.
ВВЕ — background block error блок с фоновой ошибкой — блок с ошибками, не являющийся частьюSES, применяется прианализе ошибок по блокам. Является важным параметром, вошедшим в рекомендацию ITU-T G.826.
BIT или BIT ERR- bit errors число ошибочных битов — параметр, используемый при анализе канала на наличиебитовых ошибок, является числителем в выражении для расчета BER. Битовые ошибки подсчитываются только во времяпребывания канала в состоянии готовности.
ЕВ — error block число ошибочных блоков — параметр, используемый при анализе канала наналичие блоковых ошибок, является числителем в выражении для расчета BLER. Блоковые ошибки подсчитываются только во времяпребывания канала в состоянии готовности.
BBER — background block error rate коэффициент ошибок по блокам сфоновыми ошибками — отношение числа блоков с фоновыми ошибками ко всему количеству блоков в течениевремени готовности канала за исключением всех блоков в течении SES. Является важным параметром, вошедшим в рекомендациюITU-T G.826.
BER или RATE — bit error rate частота битовых ошибок,коэффициент ошибок по битам -основнойпараметр в системах цифровой передачи, равный отношению числа битовых ошибок кобщему числу бит, переданных за время проведения теста по каналу, находящемусяв состоянии готовности. При обнаружении десяти последовательных секундныхинтервалов, сильно пораженных ошибками(SES), анализаторпереключается на подсчет времени неготовности канала. При этом измерение BER прерывается до восстановления работоспособностиканала. Таким образом, управляемые проскальзывания, связанные с потерей одногоили нескольких циклов информации, практически не влияют на значение BER. Измерения параметра BER универсальны в том смысле, что не требуют наличияцикловой и сверхцикловой структуры в измеряемом потоке, однако требуют передачиспециальной тестовой последовательности и могут быть проведены только в случаеполного или частичного отключения цифрового канала от полезной нагрузки.
BLER — block error rate частота блоковых ошибок,коэффициент ошибок по блокам — редко применяемый на практике параметр, равный отношению числа ошибочных блоковданных к общему числу переданных блоков. Под блоком понимается заданноеколичество битов. Ошибочным блоком считается блок, содержащий хотя бы одиношибочный бит. Обычно значение параметра BLER больше (хуже), чем параметра BER. Его целесообразно измерять только в тех сетяхпередачи данных, где информация передается блоками фиксированного размера, апараметр BLER является важной характеристикой канала с учетомкадровой (цикловой) структуры передачи.
Например, для сетей ATM принята кадровая структура передачи в виде кадровдлины 53 бита. Ошибочный кадр уничтожается (дискартируется). В этом случаеможно считать кадр ATM как блок длиною в 53 бита, а эквивалентом BLER будет параметр ошибки по кадрам CER (Cell Error Rate). В другом примере в качестве эквивалента блокаможет выступать сверхцикл ИКМ, а эквивалентом BLER будет ошибка по CRC.
CLKSLIP или SLIP — clock slips число тактовых проскальзываний — параметр, характеризующийся числом синхронныхуправляемых проскальзываний, появившихся с момента начала теста.Проскальзыванием называется повторение или исключение группы символов всинхронной или плезиохронной последовательности двоичных символов в результатеразличия между скоростями считывания и записи в буферной памяти. Посколькупроскальзывание ведет к потери части информации, что в свою очередь ведет кпотери цикловой синхронизации, на практике используются эластичные управляемыебуферы с возможностью управления проскальзываниями. В этом случаепроскальзывания называются управляемыми. В наибольшей степени параметр CLKSLIP связан с параметром неготовности канала (UAS). Сопоставление CLKSLIP и UAS позволяет выявить причину неготовности канала, вчастности, связана ли она с нарушением синхронизации. Значение параметра CLKSLIP зависит от размера имитируемого прибором буфера,который может быть от 1 бита до нескольких килобайтов.
CRC ERR — CRC errors число ошибок CRC — параметр ошибки, измеренный с использованиемциклового избыточного кода(CRC), распространенныйпараметр определения ошибок реально работающего канала без его отключения и безпередачи тестовой последовательности. Необходимым условием измерения параметра CRC является наличие механизма формирования кода ваппаратуре передачи. Встроенные средства самодиагностики современных большейчасти цифровых систем передачи используют именно этот механизм. Таким образом,при измерении параметра CRC можно не только оценить частоту ошибок, но ипроверить работу системы самодиагностики.
При использования CRC часто возникает вопрос о необходимости измеренияодновременно с ним и параметраBER. Здесь необходимоучитывать две особенности примененияCRC. Во-первых, каждаяошибка CRC не обязательно связана с ошибкой одного битаинформации. Несколько битовых ошибок в одном сверхцикле могут дать только однуошибку CRC для блока. Во-вторых, несколько битовых ошибокмогут компенсировать друг друга и не войти в суммарную оценку CRC. Таким образом, при использовании CRC можно говорить не об истинном уровне ошибок вканале, а только об оценке их величины. Тем не менее, CRC является удобным методом контроля ошибок припроведении сервисного наблюдения за работающим каналом, когда практическиневозможно измерить реальные параметры битовых ошибок.
CRC RATE — CRC errors rate частота ошибок CRC — показывает среднюю частоту ошибок CRC. По описанным выше причинам бывает лишь частичнокоррелирован с параметромBER.
DGRM — degraded minutes число минут деградации качества — несколько временных интервалов продолжительностью 60с каждый, когда канал находится в состоянии готовности, но BER=10"6. Ошибки во время неготовностиканала не считаются, а интервалы по 60 с в состоянии готовности канала,пораженные ошибками несколько раз, суммируются.
DGRM (%) — degraded minutes процент минут деградации качества — число минут деградации качества, выраженное впроцентах по отношению ко времени, прошедшему с момента начала тестирования.
EFS — error free seconds время, свободное от ошибок (с) — один из первичных параметров, входящих врекомендации G.821 и М.2100/М.550. Отражает время, в течениекоторого сигнал был правильно синхронизирован, а ошибки отсутствовали, т.е.общее время пребывания канала в состоянии безошибочной работы.
EFS (%) — error free seconds процент времени, свободного от ошибок (с) — то же, что и предыдущий параметр, тольковыраженный в процентах по отношению к общему времени с момента начала тестирования.
ES — errors seconds длительность поражения сигналаошибками, количество секунд с ошибками (с) — параметр показывает интервал времени поражения всемивидами ошибок в канале, находящемся в состоянии готовности. ES связан с другими параметрами простым соотношением: AS =ES + EFS.
ES (%) — errors seconds процент поражения сигнала ошибками — параметр связан с EFS (%) соотношением: ES (%) +EFS (%) = AS (%).
ESR — error seconds rate коэффициент ошибок по секундам сошибками — параметр, практическиравный ES (%).
LOSS — loss of signal seconds длительность потери сигнала (с) — параметр характеризует интервал времени, в течениекоторого сигнал был потерян.
PATL — pattern loss количество потерь тестовойпоследовательности — параметр, характеризующийся числом потерь тестовой последовательности,появившихся с момента начала теста.
PATLS — pattern loss seconds продолжительность времени потеритестовой последовательности — общее время потери тестовой последовательности с момента начала теста.
SES — severally errors seconds продолжительность многократногопоражения ошибками, количество секунд, пораженных ошибками (с) — SES — интервал времени,измеряемый в секундах, пораженный ошибками несколько раз. В это время частотабитовых ошибок составляетBER>10-3. Подсчет SES производится только во время готовности канала. Изопределения видно, чтоSES -составная частьпараметра ES. Вторая интерпретация параметра SES связана с измерениями по блоковым ошибкам, тогда SES определяется как односекундный интервал времени,содержащий более 30% блоков с ошибками. Можно сказать, что во время подсчетапараметра SES качество канала чрезвычайно плохое. Поэтомупараметр SES является очень важным и входит в переченьобязательных к измерению параметров ИКМ рекомендаций G.821 и М.2100/М.550.
SES (%) — severally errors seconds относительная продолжительностьмногократного поражения ошибками — тот же параметр, выраженный в процентах.
SESR — severally error seconds rate коэффициент ошибок по секундам,пораженным ошибками — параметр, практически равныйSES (%).
SLIP или CLKSLIP — clock slips число тактовых проскальзываний — параметр, характеризующийся числом синхронныхуправляемых проскальзываний, появившихся с момента начала теста. В наибольшейстепени этот параметр связан с параметром неготовности канала (UAS). Сопоставление CLKSLIP и UAS позволяет выявить причину неготовности канала, вчастности, связана ли она с нарушением синхронизации. Значение параметра CLKSLIP зависит от размера имитируемого прибором буфера,который может быть от 1 бита до нескольких килобайтов.
SLIPS или CLKSLIPS — clock slips seconds продолжительность тактовыхпроскальзываний -параметрхарактеризуется общим временем с наличием синхронных управляемыхпроскальзываний.
UAS — unavailability seconds время неготовности канала (с) — время неготовности канала начинает отсчитываться смомента обнаружения 10 последовательных интервалов SES и увеличивается после каждых следующих 10последовательных интерваловSES. Счет UAS обычно начинается также с момента потери цикловойсинхронизации или сигнала. Этот параметр связан со всеми предыдущимипараметрами и определяет стабильность работы цифрового канала.
UAS (%) — unavailability seconds относительное время неготовности канала — предыдущий параметр, выраженный в процентах.
6. Тестовые последовательности
Для организации измерений с отключением каналаиспользуется генератор и анализатор тестовой последовательности, подключенные кразным концам цифрового канала. Между генератором и анализатором тестовойпоследовательности существует синхронизация по тестовой последовательности,т.е. процедура, в результате которой анализатор имеет возможность предсказанияследующего значения каждого принимаемого бита.
В практике используются два типа тестовыхпоследовательностей — фиксированные и псевдослучайные последовательности (ПСП, PRBS — Pseudorandom Binary Sequence).
Фиксированными последовательностями являютсяпоследовательности чередующихся повторяемых комбинаций битов. В качествепримера рассмотрим альтернативную фиксированную последовательность типа 1010, в которой после каждого 0 идет 1.
Процедура синхронизации тестовой последовательностив этом случае может быть чрезвычайно проста: анализатор заранеезапрограммирован на ожидание альтернативной последовательности, при приеме 1 онпредсказывает появление в качестве следующего бита 0, и в случае приема 1делается вывод о битовой ошибке. Реальная процедура синхронизации несколькосложнее, поскольку требуется проверка, не является ли первый принятый битошибочным. Для этого производится проверка правильной синхронизации в течениинескольких последовательных групп битов (блоков), при этом сама процедурасинхронизации аналогична. Такая процедура синхронизации представляет собой процедуру без указания на началоцикла.
Вторым способом синхронизации фиксированной тестовойпоследовательности является процедура с указанием начала цикла, согласно которой начало цикла задается специальнымбитом или последовательностью битов (ниже называемым битом f).
В практике могут использоваться обе процедурысинхронизации тестовой последовательности. В последнее время производителисклоняются к максимально широкому внедрению процедуры с указанием начала цикла,поскольку в этом случае синхронизация тестовой последовательностиосуществляется в течении нескольких циклов — порядка 8-16 переданных битов.Исключение составляют постоянные фиксированные последовательности 0000 и 1111,где процедура с указанием начала цикла не имеет смысла.
В современной практике используются следующиефиксированные тестовые последовательности:
1111 — все единицы. Фиксированная последовательность единиц, котораяиспользуется обычно для расширенного и стрессового тестирования канала.Например, если последовательность послана в неструктурированном потоке Е1, тоэто будет понято как сигнал неисправности (AIS).'
1010 — альтернативная. Фиксированная последорательность из чередующихсянулей и единиц. Последовательность может передаваться без указания или суказанием начала цикла — f 0101 0101.
ОООО — все нули. Фиксированная последовательность нулей, используемаяобычно для расширенного и стрессового тестирования канала.
FOX. Фиксированная последовательность FOX используется в приложениях передачи данных. Переводпоследовательности в ASCII является предложением «Quick brown fox.». Синхронизация последовательностиосуществляется правильным переводом предложения. Ниже приведенапоследовательность:
2А, 12, А2, 04, 8А,АА, 92, С2, D2, 04, 42, 4А, F2, ЕА, 72, 04, 62, F2, 1А, 04, 52, АА, В2, OA, СА, 04, F2, 6А, А2, 4А, 04, 2А, 12, А2,04, 32, 82, 5А, 9А, 04, 22, F2, Е2, 04, 8С, 4С, СС, 2С, AC, 6С, ЕС, 1С, 9С, ОС, ВО, 50
1-3 — одна единица на три бита. Промышленный стандарт 1 в 3-х используется длярасширенного и стрессового тестирования канала. Последовательность передается суказанием на начало цикла: f 010
1-4 — одна единица на три бита. Промышленный стандарт 1 в 4-х используется длярасширенного и стрессового тестирования канала. Последовательность передается суказанием на начало цикла: f 0100
1-8 — одна единица на восемьбитов. Промышленный стандарт 1в 8-ми используется для расширенного и стрессового тестирования канала.Последовательность передается с указанием на начало цикла: f0100 0000
3-24 — три единицы на 24 бита. Промышленный стандарт 3 в 24-х используется длярасширенного и стрессового тестирования канала. Последовательность передается суказанием на начало цикла: f 0100 0100 0000 0000 0000 0100
Кроме перечисленных стандартных фиксированныхпоследовательностей, могут использоваться произвольные слова и предложения.Процедура синхронизации и анализа битовых ошибок может быть организована наоснове указания на начало цикла или на основе проверки правильности переводаслов и предложений. Вторая процедура наиболее часто используется в практике.
Использование фиксированных последовательностей впоследнее время рекомендовано главным образом для стрессового тестированияаппаратуры кодирования/декодирования. Поэтому наиболее часто используютсятестовые последовательности со множеством нулей. Как известно, при передачедвоичной последовательности наличие последовательности из нескольких нулейравносильно отсутствию сигнала (0 обычно передается сигналом нулевойамплитуды). В результате генерации последовательностей со множеством нулейможно проанализировать работу канала в случае естественного пропадания сигнала.
Литература
1. Шквір В.Д. Інформаційні системи ітехнології в обліку. Львів, 2009 р.
2. Маслов В.П. Інформаційні системи ітехнології в економіці: Навчальний посібник – Київ: ”Слово”, 2007 р.
3. Карпенко С.Г., Попов В.В. Інформаційнісистеми і технології. Київ: МАУП, 2004 р.
4. Основы теории цепей: Методическиеуказания к курсовой работе для студентов – заочников специальности 23.01“Радиотехника”/ Сост. Коваль Ю.А., Праги О.В. – Харьков: ХИРЭ, 2001. – 63 с.
5. Зернов Н.В., Карпов В.Г. “Теорияэлектрических цепей”. Издание 2-е, перераб. и доп., Л.,”Энергия”,19872.
6. Основы радиоэлектроники – Справочник — Х– 2005 г.