CC BY
33
УДК 004.031
СТРОИТЕЛЬСТВО МОДЕРНИЗИРОВАННОЙ ПЕРВИЧНОЙ СЕТИ СВЯЗИ ВОЕННОГО ОКРУГА НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ АТМОСФЕРНЫХ
ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
© 2011 г. И.В. Щербань , Г.В. Кривошеев , МА. Григорян
*Северо-Кавказский филиал Московского *North-Caucasian branch Moscow Technical Univer-
технического университета связи и информатики sity of Telecommunications and Information
Военная академия связи (филиал), г. Новочеркасск A branch of the Military Telecommunications Engi-
neer's Academy, Novocherkassk Совершенствование современной системы военной связи, возможности внедрения перспективных информационных и телекоммуникационных технологий определяются состоянием и возможностями ее первичной сети связи (ПСС). Задача строительства модернизированной ПСС может быть решена как задача максимизации качества канального ресурса сети при заданном коэффициенте ее готовности посредством использования на отдельных информационных направлениях каналов, реализуемых на основе открытых атмосферных оптических систем.
Ключевые слова: первичная сеть связи; атмосферные оптические системы передачи; коэффициент готовности линии; оптический усилитель; пропускная способность; качество канального ресурса.
Modernization contemporary system of military telecommunication, possibilities of instillation information and telecommunication technologies assign by condition and opportunities its primary communication net (PCN). Task of building modernize PCN may be solved as a task of maximization of quality net's channels resource with set coefficient of readiness through replacement part of information directions by channels, which are realized on the principles of free space optics.
Keywords: primary communication net; free space optics; coefficient of line's readiness; optic intensifier; passing ability; quality of channel resource.
Введение
Темпы и качество совершенствования современной системы военной связи, внедрения и практического освоения перспективных информационных и телекоммуникационных технологий определяются состоянием и возможностями ее первичной сети (ПСС). Как правило, существующие линии связи (кабельные, радиорелейные) ПСС военных округов введены в эксплуатацию в начале 60-х гг. прошлого века. В основном они выработали свой ресурс и не удовлетворяют критерию единства системы связи видов и родов Вооруженных Сил Российской Федерации (ВС РФ), силовых структур и ведомств. Это приводит к появлению проблем сопряжения канального оборудования систем связи ВС РФ в целом, большим экономическим затратам при их эксплуатации, нерациональному использованию их канальных ресурсов.
Следовательно, на сегодняшний момент актуальной является задача совершенствования ПСС военных округов посредством замены отдельных линий передачи, не соответствующих требованиям, формируемым из условий расширения спектра предоставляемых современными системами связи инфокоммуни-кационных услуг. Понятно, что на современном этапе необходимо использовать линии, имеющие высокую пропускную способность, требуемую устойчивость и защищенность от несанкционированного доступа, разворачиваемые в короткие сроки и с минимальными финансовыми затратами.
Известно, что указанные характеристики присущи аппаратным средствам на основе волоконно-опти-
ческих систем передач (ВОСП). Однако развертывание новых волоконно-оптических кабельных линий при замене линий передач ПСС в городских условиях, в местах с развитой инфраструктурой и большой плотностью застройки потребует существенных финансовых затрат. В качестве альтернативных ВОСП аппаратных решений могут использоваться беспроводные радиорелейные линии связи (РРЛС) или открытые атмосферные оптические системы передачи (АОСП). Для РРЛС большую проблему на сегодня представляют вопросы, связанные с электромагнитной совместимостью радиоэлектронных средств, с защитой от преднамеренных помех. АОСП же, в отличие от РРЛС, используют нелицензируемый тера-герцовый диапазон частот, обладают высокой помехоустойчивостью к другим видам связи и к радиоизлучениям от специальных объектов, имеют сравнимую с ВОСП скорость передачи цифровых потоков, высокую защищенность от несанкционированного доступа и низкую стоимость и, поэтому, являются более предпочтительными.
Постановка задачи
Необходимая модернизация ПСС военных округов должна выполняться с учетом способности сети поддерживать совокупность современных технологий при агрегации различных видов трафика. Модель сети, таким образом, должна наиболее полно удовлетворять предъявляемым требованиям к информационному обмену в регионе со стороны функционирующих в нем систем управления.
Как математический объект, любая ПСС представляется в виде неориентированного связного графа
G (А,В, С, КГ), где А = {а;}, ; = 1, N - множество
вершин графа или узловая основа сети; В = { Ь^},
] = 1, п - множество ребер, представляющих собой
линии связи; С = |сгу }, с^ - пропускная способность
ребра графа; КГ - коэффициент готовности сети связи [1] КГ = КГ (КГЛ;КГУС), где КГЛ ={кГл),
КгГл - коэффициент готовности линии передачи;
ГУС ( ГУС I ГУС
К =\к;^ }, К; -коэффициент готовности узловых средств, причем КГЛ = КГл (КГСр; КгГСист), где КгГ°р - коэффициент готовности среды передачи;
КгГСист - коэффициент готовности системы передачи.
Каждому ребру графа сети ставится в соответствие его пропускная способность с;]-, а также
значение коэффициента готовности линии передачи определяемое коэффициентом готовности
У^ = VI ... Ук1 ... гк2 ... Ут УССу|\
где т) - требуемое количество каналов;
(У1;Ук1) - каналы с высокой пропускной способностью; (Ук1;Ук 2) - каналы с низкой пропускной способностью, подлежащие замене.
В работе [1] в качестве целевой функции синтеза новой структуры системы выбирается приведенная стоимость. Ограничениями при этом выступают требования по числу каналов, их качеству Q и заданному коэффициенту готовности. В рассматриваемом случае предполагается, что структура сети задана. Поэтому задачу модернизации ПСС военного округа на основе замены отдельных информационных направлений (Ук1;Ук2) с целью увеличения ее суммарной пропускной
способности, но при заданном коэффициенте готовности сети сформулируем как задачу достижения максимального значения качества канального ресурса Q :
тах
Q=max te )=t max >
(i)
K
ГЛ
среды передачи К^Ср и коэффициентом
готовности
путем замены части информационных направлений каналами на основе АОСП (1) с ограничениями на параметры сети:
^ГСист
системы передачи Ку
содержит отдельные линии передачи с низкими пропускными способностями, что обусловливает невысокую пропускную способность сети в целом при заданном коэффициенте готовности.
На узловой основе ПСС выделяются полюсы, которые представляют собой совокупность корреспондирующих пар узлов (КПУ) Z = }, к = 1, т . Характеристики сети сформированы таким образом, что имеется возможность выделения из ее состава двухполюсных сетей, которые предоставляют КПУ требуемую пропускную способность, поддерживаемую требуемыми коэффициентами готовностями.
Характеристики вводимых цифровых каналов должны обладать качеством, необходимым для передачи информации различных стандартов в условиях применения разнородных линий передач и увеличивать суммарную пропускную способность ПСС при заданном коэффициенте готовности сети.
Количество каналов между корреспондирующими парами определяются компонентами вектора
Существующая ПСС Е vk = ck ; 0 ^ V k ^ c/ ; k = 1, m, t = 1,2,3,..../ = i, n ; (2)
K™ = K™ ; L = {l/ ) = L
V V ЗАД ' (У )
ЗАД ^
(3)
V2=| Vi
V
Vm Vccy
где УССУ - суммарное количество каналов заданного качества, необходимое для обеспечения потребностей системы сигнализации и управления; Ук - потребность в каналах к-й КПУ, к = 1, т .
Для модернизируемой ПСС военного округа, содержащей разнородные линии передачи, вектор У^
можно записать в виде:
где функция ук - дискретная целочисленная функция, определенная на множестве С, означающая, что поток линии сети не может превышать ее пропускной способности; LЗАд - известная заранее суммарная длина заменяемых информационных каналов; К™АД - заданный коэффициент готовности
линии передачи.
Методика решения сформулированной задачи
Известно, что технологии АОСП присущи некоторые особенности, ограничивающие ее практическое использование. Эти особенности существенно осложняют и решение сформулированной задачи (1) - (3).
Во-первых, основным недостатком АОСП является двухточечность топологии на физическом уровне. Следовательно, построение сетей на основе АОСП с разветвленной топологией требует дополнительных технических решений.
Во-вторых, при проектировании атмосферных оптических линий связи (АОЛС) необходимо учитывать особенности распространения инфракрасного излучения в атмосфере. Техническая зависимость допустимой протяженности атмосферного канала (АК) от свойств среды распространения, определяемая для каждого географического региона из требования обеспечения заданного коэффициента готовности, ограничивает и возможность решения сформулированной задачи.
T
Для преодоления первого указанного недостатка предлагается использовать узел коммутации оптических сигналов, структурная схема которого представлена на рис. 1 [2, 3]. В состав узла коммутации входят (рис. 1): приемопередающие блоки 1 - 4, которые предназначены для приема слабого оптического сигнала, его усиления в оптическом усилителе на волокне, легированном эрбием (EDFA), и последующей передачи; мультиплексор оптических сигналов с временным мультиплексированием TDM, обеспечивающий объединение нескольких индивидуальных оптических сигналов в один и передачу каждого индивидуального оптического сигнала в своем временном интервале, в составе демультиплексора и мультиплексора; оптический коммутатор (ОК), обеспечивающий коммутацию оптических сигналов с входов на необходимые выходы; оптоэлектронный преобразователь (ОЭП), выполняющий функции оптического приемопередатчика, обеспечивающий ввод индивидуальных оптических сигналов в групповой оптический сигнал либо передачу по другим информационным направлениям сети, исходящих с данного узла, а также прием входящих оптических сигналов.
В данной схеме используется строго неблокирующий ОК, чтобы для любой свободной пары входных - выходных полюсов (i, k) и при любых предварительно установленных соединениях других пар полюсов всегда можно построить соединение i - k, не разрывая уже существующие соединения [4].
Принцип работы узла коммутации состоит в том, что слабый групповой оптический сигнал поступает в приемный тракт приемопередающего блока 1, где происходит его усиление до уровня, необходимого для передачи. Усиленный оптический сигнал посред-
ством оптоволокна вводится в демультиплексор, где происходит разуплотнение группового оптического сигнала на индивидуальные оптические сигналы. С выходов демультиплексора оптические сигналы поступают на входы ОК, где обеспечивается их коммутация с входов на необходимые выходы.
Оптические сигналы с выходов ОК поступают либо в передающие тракты приемопередающих блоков 2 - 3 с последующей трансляцией в АК, либо в приемный тракт ОЭП. Это обеспечивается тем, что входы и выходы устройства уплотнения TDM , ОЭП и приемопередающих блоков строго закреплены за необходимыми выходами и входами ОК и соединены оптоволокном.
Наличие в схеме структурно выделенного оптического коммутатора позволяет иметь блочную структуру узла коммутации с возможностями изменения топологии сети без дополнительных технических решений. Использование предлагаемого узла коммутации оптических сигналов позволит строить на основе АОСП сети с разветвленной топологией, что обеспечит возможность их применения для решения сформулированной задачи модернизации.
Разрешение второй вышеуказанной особенности АОСП предполагается на основе следующего технического решения.
Для компенсации затухания оптического сигнала в атмосфере предлагается использовать модуль усиления-ретрансляции оптических сигналов, не требующий оптоэлектронных преобразований [2, 3]. Это позволит увеличить общую протяженность АОЛС при соблюдении требования о неизменном коэффициенте готовности линии и с сохранением существующей скорости передачи цифровых потоков.
Рис. 1. Структурная схема узла коммутации для АОСП
Однако следует отметить, что накопление шума ограничит возможное количество подобных модулей по трассе АК и, соответственно, ограничит потенциально возможную ее протяженность. Интегрирование шумов спонтанного излучения каждого каскада усиления в последующих каскадах, причем, с добавлением собственных шумов каждого последующего каскада приведет к снижению суммарного значения «сигнал/шум» ниже допустимого уровня.
Следовательно, при использовании в составе ПСС военного округа каналов, образованных АОСП, помимо требований к качеству отдельного цифрового канала необходимо дополнительно учитывать
параметры, присущие сетевым и линейным интерфейсам атмосферных оптических систем. В этом случае качество канального ресурса, реализуемого на АОСП, определяется вектором
q =
(еЗЕ)'
OSNR P
ПРД
X K1
max Qk = max {SNR}
к=kl...k 2
при соблюдении ограничения
КкгЛ = KГЛ
КЗАД
(5)
St (t ) =
Iо (r, t)■
В работе [6] показано, что мгновенная интенсивность поля плоской волны в точке на приемной апертуре оптической системы прямо пропорциональна
мощности поля оптического передатчика Р и усилению антенны Ga и обратно пропорциональна квадрату расстояния до рассматриваемой точки |г|2:
7 (' ) = р С).
4л г
Таким образом, максимизация интенсивности на апертуре оптической системы эквивалентна максимизации мощности сигнала оптического передатчика и соответственно отношению «сигнал/шум» на входе оптической системы передачи информации. Таким образом, максимизация критерия Штреля
Р (О
St (t ) =
4л r
Iо (Г, t)
где OSNR - соотношение «сигнал/шум»; РПРд - уровень мощности оптического излучения на передаче; РПРМ - минимальная мощность на входе приемника;
X - рабочая длина волны; КГЛ - коэффициент готовности линии передачи.
Рабочая длина волны X для конкретного типа используемой системы передачи АОСП задана. В соответствии с нормативно-техническими требованиями [5] и согласно требованиям безопасности уровень мощности оптического излучения на передаче РПРд
должен быть не более 25 дБм, а чувствительность приемника РПРМ - не менее - 50 дБм. Таким образом, варьируемыми параметрами АОСП в общем случае являются значения OSNR и КГЛ .
Коэффициент готовности линии передачи КГЛ имеет ограничение по нижнему значению, определяемое из требований к линиям передачи и к сети связи в целом, и, поэтому, является ограничением для оптимизационной задачи. Поэтому для достижения условия (1) необходимо выполнить условие
(4)
Известно, что для оценки качества оптических систем используется критерий Штреля St, под которым понимают отношение интенсивности в фокусе реальной системы 7 (г, t) к интенсивности в системе
без искажений 70 (г, t)
7 (^t)
эквивалентна максимизации отношения «сигнал/шум» на выходе оптической системы [6].
Увеличение значения St отдельно каждого модуля усиления-ретрансляции оптических сигналов позволит снизить собственные шумы каждого каскада усиления, что приведет к снижению суммарного значения «сигнал/шум» АОСП OSNR. В этом случае условие (4) трансформируется в условие
max Qk = max {Stk (t)}. (6)
k=kl...k 2 k=kl...k 2* "
Для достижения условия (6) вместо антенн на основе трех разнесенных передающих апертур дуплексного модуля усиления-ретрансляции, как предложено в работах [2, 3], необходимо использовать оптические антенны на основе адаптивной компенсации искажений оптического сигнала, сущность которых заключается в автоматической коррекции волнового фронта в плоскости передающей апертуры [6]. Именно такое техническое решение обеспечивает выполнение условия (6) при неизменном ограничении (5).
Схема такого дуплексного модуля усиления-ретрансляции представлена на рис. 2. Модуль состоит из двух идентичных приемопередающих блоков, содержащих приемную антенну (ПА), осуществляющую прием оптического сигнала с искаженным фронтом волны; датчик волнового фронта (ДВФ), который выполняет роль измерительного устройства (принимает свет, анализирует искажения фазового фронта и вырабатывает сигнал об искажениях); устройство обработки информации (УОИ), преобразующее результаты измерений в сигналы управления устройством воздействия на фазовый фронт; гибкое адаптивное зеркало (ГАЗ), которое вносит предыскажениЕ в оптический сигнал в плоскости передающей апертуры; оптический усилитель (ОУ), обеспечивающий усиление слабого сигнала до уровня, необходимого для передачи.
Принцип работы состоит в том, что принятый приемной антенной оптический сигнал поступает в измерительное устройство (ДВФ), которое на основании анализа искажений фазового фронта вырабатывает сигнал на УОИ. УОИ преобразует его в сигналы для управления устройством воздействия на фазовый фронт (ГАЗ).
T
Рис. 2. Схема дуплексного модуля усиления-ретрансляции оптического сигнала
Таким образом происходит предискажение фронта волны оптического излучения в тракте передачи. Основным требованием, предъявляемым к предлагаемому устройству, является обеспечение адаптивной компенсации в плоскости передающей апертуры в реальном масштабе времени.
Выводы
Оптимальное решение задачи модернизации ПСС типичного военного округа ВС РФ может быть получено в форме решения задачи максимизации качества канального ресурса при заданном коэффициенте готовности линий передач и неизменной структуре сети. Представленная методика решения такой задачи предусматривает замену отдельных линий, не соответствующих существующим требованиям, линиями на основе АОСП. Достижение сформулированных оптимизационных критериев возможно на основе использования представленных технических решений.
Поступила в редакцию 26 января 2011 г.
Щербань Игорь Васильевич - д-р техн. наук, профессор, кафедра многоканальных телекоммуникационных систем, Северо-Кавказский филиал Московского технического университета связи и информатики. Тел. (+7-863)-243-48-11. E-mail: shcheri@mail.ru
Кривошеев Григорий Викторович - адъюнкт, кафедра многоканальной электросвязи, Филиал военной академии связи (г. Новочеркасск). Тел. (+7-86352)-4-68-75. E-mail: krivoy751@yandex.ru
Григорян Михаел Аветисович - аспирант, кафедра многоканальных телекоммуникационных систем. СевероКавказский филиал Московского технического университета связи и информатики. Тел. +7-909-433-22-22. E-mail: michaeldxd@rambler.ru
Scherban Igor Vasil'evich - Doctor of Technical Sciences, professor, department multiple facility telecommunications, North-Caucasian branch Moscow Technical University of Telecommunications and Information. Ph. (+7-863)-243-48-11. E-mail: shcheri@mail.ru
Krivosheev Grigoriy Victorovich - post-graduate student, branch of the Military Telecommunications Engineer's Academy (Novocherkassk), chair's multiple facility telecommunications. (+7-86352)-4-68-75. E-mail: krivoy751 @yandex.ru
Grigoryan Michael Avetisovich - post-graduate student, department multiple facility telecommunications, North-Caucasian branch Moscow Technical University of Telecommunications and Information. Ph. +7-909-433-22-22. E-mail: michaeldxd@rambler.ru
Литература
1. Латышев О.В., Лебедев А.Т. Формирование канального ресурса региональной транспортной сети связи специального назначения: монография. Новочеркасск, 2009. 129 с.
2. Щербань И.В., Кривошеев Г.В., Григорян М.А. Оптический усилитель-ретранслятор для атмосферной оптической линии связи // Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности : материалы 10-й междунар. науч.-практ. конф. Санкт-Петербург, 09-11.12.2010 г. СПб., 2010. С. 223 - 224.
3. Полезная модель. Заявка №2010132924 от 05.08.10 года, решение о выдаче от 13.01.2011 года // Дуплексный оптический усилитель-ретранслятор.
4. Убайдуллаев Р.Р. Волоконно-оптические сети. М., 1998. 268 с.
5. Рекомендации по применению беспроводной инфракрасной технологии на местных сетях взаимоувязанной сети связи России. Р 45.16 2002.
6. Безуглов Д.А., Решетникова И.В., Сахаров И.А. Датчики волнового фронта: монография. Ростов н/Д., 2007. 208 с.
