CC BY
2
УДК 621.9.08
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-11-134-135
ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЦИФРОВЫХ
СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ
И.А. Ходжаев, А.М. Соловьев, А.Л. Гудиков
В статье рассматриваются информативные определяющие параметры, пригодные для прогнозирования технического состояния цифровых систем передачи в процессе их эксплуатации при использовании гибких стратегий технического обслуживания и ремонта.
Ключевые слова: техническое состояние, информативные параметры цифровых систем передачи, стратегия технического обслуживания по состоянию, постепенный и внезапный отказы, алгоритм прогнозирования.
Задача предотвращения отказов аппаратуры связи для бесперебойной передачи информации на значительные расстояния существовала со времен создания такой аппаратуры. Первые разработки радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) относятся к так называемым аналоговым системам. Качество таких систем оценивалось по таким параметрам, как мощность передатчика, коэффициент шума приемника, уровень на выходе каналообразующей аппаратуры и др. На определяющие параметры РЭА задавалась область допустимых значений, и, если в процессе эксплуатации эти параметры выходили за пределы допустимых значений, аппаратура признавалась неисправной (отказ РЭА). Если процесс дрейфа параметров обладает свойствами инерционности и монотонности, появляется возможность спрогнозировать его поведение на некоторый интервал времени в будущем. Зная, когда параметр пересечет границу области допустимых значений, отказ РЭА можно предотвратить путем регулировки или замены элемента РЭА, находящегося в предотказовом состоянии. Такая стратегия технического обслуживания (ТО) аппаратуры называется гибкая стратегия ТО по состоянию. Она считается наиболее перспективной и обеспечивает высокие показатели надежности РЭА.
С переходом к цифровым системам передачи информации (ЦСП) параметры, определяющие техническое состояние цифрового канала, совершенно другие. Какими из них можно воспользоваться для нужд прогнозирования технического состояния для предотвращения отказов этой современной аппаратуры связи? Проведем анализ параметров цифрового сигнала, которые заложены в различных методиках измерений современных цифровых каналов связи.
Согласно рекомендаций ITU-T G.821, G.826 и M.2100 параметров, измеряемых в бинарном цифровом канале 28 [1-3]. Три из них являются основополагающими (первичными):
1. BIT или BIT ERR (bit errors) - число ошибочных битов.
2. BER или RATE (bit error rate) - частота битовых ошибок, равный отношению числа битовых ошибок к общему числу бит, переданных за время проведения теста по каналу, находящемуся в состоянии готовности.
3. ES (errors seconds) - длительность поражения сигнала ошибками, количество секунд с ошибками [4].
Остальные параметры являются производными от этих трех. Многие из оставшихся 25 параметров продублированы в относительных единицах (в процентах). Например, AS (availability seconds) и AS (%); DGRM (degraded minutes) и DGRM (%); EFS (error free seconds) и EFS (%) ...
В указанных выше рекомендациях [1-3] к основным параметрам причисляют и другие: по рекомендации G.821 AS (%) -параметр, характеризующий готовность канала; по G.826 важными параметрами признаются ВВЕ (background block error) - блок с фоновой ошибкой и BBER (background block error rate); по M.2100 EFS (error free seconds) - время, свободное от ошибок в секундах. Распространенный параметр определения ошибок реально работающего канала без его отключения и без передачи тестовой последовательности - это CRC ERR (Cycle Redundancy Check errors) - параметр ошибки, измеренный с использованием циклового избыточного кода (CRC). Анализ этих параметров показал, что все они связаны с результатом измерений трех вышеуказанных основополагающих параметров: BIT, BER и ES. Измерения по этим параметрам вошли в методики измерений как первичных, так и вторичных сетей. Используя принцип «разумной достаточности» при проведении эксплуатационных измерений предлагается прогнозировать процесс изменения технического состояния цифрового канала не по всем 28 параметрам, а по результатам периодического контроля трех первичных параметров. Это будет тоже многофакторный анализ, но с существенно меньшими объемами обрабатываемой апостериорной информации.
Особенность цифровых систем передачи (рис. 1) заключается в том, что, зачастую, ухудшение значения измеряемого параметра долгое время не приводит к ухудшению качества канала связи. Это происходит за счет использования специальных алгоритмов синхронизации и обнаружения ошибочных битов при регенерации передаваемой информации в приемном или промежуточном регенераторе. Чаще всего каналы ЦСП являются составными: они содержат два и более участка магистральной первичной сети. В качестве среды распространения сигнала (линии связи) могут использоваться радиоэфир, электрические кабели и оптоволокно.
При накоплении (насыщении ошибочными битами) в определенной степени значения измеряемого параметра на каком-то участке тракта передачи происходит обвал (резкое ухудшение) качества канала связи между конечными абонентами цифровой системы передачи.
Здесь возникает вопрос о возможности применения прогнозирования, если оценивать качество цифрового канала только на его выходе. Описанная специфика выходных показателей цифрового канала показывает, что требования к прогнозируемым параметрам по инерционности и монотонности процесса их дрейфа могут не выполняться. Но если мы узнаем, на каком участке составного канала связи происходит накопление ошибочных битов, можно спрогнозировать его отказ, а значит и отказ всего канала. То есть, чем больше контрольных точек в составном канале будем диагностировать, тем точнее можно будет определять техническое состояние объекта в будущие моменты времени. Кроме того, такое детальное диагностирование позволит быстрее найти отказавший элемент и восстановить полноценное функционирование рассматриваемого канала связи.
Конечно в основу всех процессов ухудшения качества каналов связи как аналоговых, так и цифровых положен процесс деградации линий связи или элементов РЭА. Если нет возможности отследить этот процесс, то отказ, возникший вследствие этого, называется внезапным, эти отказы нельзя спрогнозировать. Для прогнозирования постепенных отказов ЦСП следует периодически оценивать (кроме выделенных выше цифровых) и аналоговые параметры линий связи и РЭА, например, остаточное затухание (усиление), мощность передатчика, коэффициент шума приемника и др. Процесс изменения этих параметров, как правило, обладает необходимыми свойствами для прогнозирования.
- Составной цифровой канал - .
Источник двоичного
Ретранслятор I (промеж, регенератор)
РЭА
кодир. и
передачи
-----О-
РЭА декодир. и приема
Участок магистральной первичной сети
РЭА кодир. и передачи
Линия
<-N
РЭА декодир. и приема (приемн регенер.)
Приемник двоичного сигнала
Рис. 1. Передача информации по бинарному цифровому каналу
Опыт показывает, что и параметры BIT, BER и ES не всегда, но также могут изменяться во времени. Их все равно придется контролировать при ТО аппаратуры и, если они станут информативными (обладающими свойствами инерционности и монотонности) на некотором заданном интервале времени эксплуатации, то и по ним можно построить прогноз исправности канала в будущие моменты времени.
Еще один новый (в отличие от аналоговых систем передачи) измеряемый параметр цифрового сигнала -это джиттер (фазовое дрожание). В связи объективными трудностями фазовых измерений появилось прикладное рассмотрение джиттера как вариации частоты принимаемого цифрового сигнала (рис. 2).
/
T=Vfa
-► I
Рис. 2. Джиттер как вариация частоты принимаемого сигнала
В этом случае основными параметрами джиттера становятся его амплитуда U и частота f j . Такое
fd
рассмотрение получило широкое практическое применение в методиках измерений и в технологии анализа результатов (вариация фазы напрямую связана с вариацией частоты).
Фазовое дрожание обусловлено процессами мультиплексирования и регенерации (регулярный джиттер), а также аддитивными помехами (нерегулярный джиттер). Регулярный джиттер может быть частично скомпенсирован аппаратно-программным способом. Нерегулярный джиттер некомпенсируем, но тот и другой могут с течением времени возрастать, что в конечном счете приводит к сбоям, а то и к отказам цифровых каналов. Джиттер - это аналоговый сигнал, он может принимать бесконечный ряд значений в диапазоне измерения, что важно для решения задач прогнозирования.
Различают при fj > 10 Гц - это фазовое дрожание (или джиттер), а при fj < 10 Гц - это дрейф фазы (или вандер). Джиттер приводит к нарушению тактовой синхронизации (появляются битовые ошибки), вандер приводит к проскальзыванию в цикловой синхронизации (теряются целые пакеты информации).
В соответствии с приказом Министерства связи Российской Федерации №92 от 10.08.1996 года «Об утверждении Норм на электрические параметры основных цифровых каналов ...» измерение джиттера и вандера входит в обязательные эксплуатационные измерения цифровых каналов и трактов [5]. Нормы на показатели дрожания и дрейфа фазы включают в себя сетевые предельные нормы на иерархических стыках, предельные нормы на фазовое дрожание цифрового оборудования и нормы для фазового дрожания цифровых участков (см. рис. 1). Приказом предписано руководствоваться Нормами при вводе в эксплуатацию и при техническом обслуживании цифровых каналов и трактов магистральной и внутризоновых первичных сетей взаимоувязанной сети связи Российской Федерации.
В соответствии с ГОСТ Р ИСО 13381-1-2016 прогнозирование - это многофакторный анализ признаков неисправностей с целью оценки изменения состояния объекта в будущие моменты времени и минимального периода его безаварийной эксплуатации [6]. Кроме выделенных выше трех параметров бинарного цифрового канала (BIT, BER и ES) и пяти аналоговых параметров (остаточное затухание (усиление), мощность передатчика, коэффициент шума приемника, джиттер и вандер) многофакторность предлагается ввести еще и по трем уровням уведомления по каждому параметру. Рассмотрим такие уровни уведомления для выходной мощности передатчика радиорелейной станции (РРСт) (рис. 3).
Рьш (Вт)
Предотказовое состояние
1 (мес)
Рис. 3. Три уровня уведомления для монотонно падающей мощности передатчика РРСт
Третий уровень уведомления: минимально допустимое значение параметра или граница области допустимых значений, после которой объект становится неработоспособным (отказ), уже задан в технической (эксплуатационной) документации на РЭА или канал связи. Для выходной мощности передатчика РРСт (см. рис. 3) минимально допустимое значение Рмин доп > 20 Вт. Первые два уровня уведомления (Мягкое уведомление и
Останов, см. рис. 3) - это еще не отказ, а приближение к нему, предлагается задать экспертным методом. Например, момент времени «Останова» предлагается назначить, когда мощность передатчика РРСт уменьшится до 22 Вт (или, когда остаточный ресурс контролируемого объекта израсходуется на 95 %). Момент времени «Мягкое уведомление»» предлагается назначить, когда мощность передатчика РРСт уменьшится до 23 Вт (или, когда остаточный ресурс контролируемого объекта израсходуется на 92,5 %). Это позволит предотвратить выход контролируемого объекта из строя до планируемого очередного ТО.
Такой многофакторный анализ позволит проследить взаимосвязи между событиями и условиями возникновения постепенных, а в некоторых случаях даже внезапных отказов.
В соответствии с ГОСТом по прогнозированию технического состояния [6] очень важным является правильный выбор аналитической модели постепенного отказа - квазидетерминированного (КД) экстраполяционного тренда контролируемого параметра.
Задача выбора конкретной функциональной зависимости, отражающей реальный процесс изменения параметров ЦСП, не относится к классу строго формализуемых задач, так как один и тот же процесс дрейфа параметра на заданном временном интервале с одинаковой точностью может быть описан несколькими аналитическими выражениями [7]. Для повышения точности экстраполяции параметров ЦСП (при выполнении условий, указанных выше) разработан алгоритм и программа ЭВМ выбора и использования оптимальной КД-модели для прогнозирования технического состояния контролируемых элементов ЦСП (рис. 4).
Исходными данными (для каждого контролируемого параметра П) являются результаты периодического
измерения параметра П (Ь ), I = 1, р — 1 при р > 3 , допустимые пределы его изменения Пдоп, а также база математических моделей монотонного дрейфа определяющего параметра во времени П (Ь ), которая содержит степенные полиномы 1 ^ 8 степени, экспоненциальную, степенную и логарифмическую функции:
П (* ) = /КД к (* ), к = 1Д1
Как правило, прогнозирование осуществляется при проведении ТО аппаратуры, поэтому на втором шаге алгоритма фиксируем значение параметра П р ) . Это значение будет являться проверочным при выборе наиболее
адекватной математической модели. Выбор оптимальной КД-модели (шаг третий) предлагается осуществить по трем критериям с использованием мажоритарного принципа.
Если два из трех введенных критериев предлагают одну и ту же модель, то эта модель и выбирается в качестве оптимальной [7]. Далее по выбранной модели производится прогнозирование момента времени, когда параметр П(Ь ) может выйти за границу области допустимых значений (шаг четвертый и пятый):
П (*р+1 )< Пдоп
Чтобы заранее предупредить о приближении момента отказа ЦСП, рассчитываются моменты времени *пр 1 и *пр 2 «Мягкое уведомление» и «Останов» (шаг шестой). В алгоритме задана экспертная оценка остаточного
ресурса контролируемого параметра, который должен быть израсходован, для «Мягкого уведомления» - 92,5 %
(П(пр.1) < П0,925 ),и для момента «Останова» на ТО - 95 % (П(*пр 2 ) < П0,95 ) .
На седьмом шаге алгоритма результаты расчетов выводятся на экран монитора или на печать. По этим значениям Ьр+1, * 1 и *пр 2 назначаются интервалы времени, когда необходимо провести ТО (или ремонт) обслуживаемой РЭА до наступления постепенного отказа. По разным определяющим параметрам моменты *р+1, и *пр 2 могут быть различными. Гибкая стратегия ТО будет работать тем эффективнее, чем больше результатов контроля мы заложим в расчет коэффициентов КД-модели. Поэтому очередное ТО с измерением параметров элементов
ЦСП следует проводить исходя из ближайшего прогнозируемого момента постепенного отказа по всем указанным выше определяющим параметрам.
Выбор К Д - модели из базы
математических моделей по мажоритарному принципу
__I 11 моделей вида П
к=ТП
Вычисление коэффициентов КД-модели
п(0 - Уп/
_] Вычисление коэффициентов
I «1, 1_
, т выоранного полинома
Прогнозирование момента времени ^ выхода П(0 за
границу области допустимых значений, т.е. когда выполнится условие П(^-ц) <Пдоп
---1
I П ) - значение параметра в прогнозируемый момент времени ¿пр
Прогнозирование моментов времени I . и {
г пр.1 пр.2
«Мягкоеуведомление» (92,5 % ресурса)
и «Останов>> (95 % ресурса) условие п(¿пр.!) < П 0,925 И П(/пр 2) < п 0,95
Вывод результатов на экран монитора или на печать
1_
| щ>л) - значение параметра _1 в прогнозируемый I момент времени ?прл
|_ при «Мягком уведомлении»
Рекомендации по выбору момента проведения ТО или ремонта
1_
Г Конец )
Рис. 4. Алгоритм выбора и использования оптимальной квазидетерминированной модели для прогнозирования
технического состояния ЦСП
Таким образом, заявленная цель, состоящая в выборе параметров прогнозирования технического состояния цифровых систем передачи для применения их в перспективной гибкой стратегии ТО достигнута.
1. Проведен анализ параметров, определяющих техническое состояние цифрового канала по отечественным и международным нормативно-правовым документам, в результате которого из 28 контролируемых параметров выбраны 3 основополагающих (первичных).
2. Сделан вывод, что в ЦСП из-за процессов регенерации в пунктах переприема (ретрансляторах) составного канала происходит частичное автоустранение ошибочных битов и, если контролировать сигнал только на выходе цифрового канала, то можно не заметить возникновение скрытого постепенного отказа. Поэтому следует контролировать указанные параметры на выходе каждого участка магистральной первичной сети, это поможет точнее определять техническое состояние объекта в будущие моменты времени и избегать скрытых отказов.
3. Среда распространения сигналов и элементы цифровой аппаратуры по сути имеют аналоговую природу, поэтому кроме чисто цифровых параметров для выявления постепенных отказов следует периодически оценивать и пять предложенных аналоговых параметров линий связи и используемой РЭА.
4. Для предупреждения выхода контролируемого параметра за пределы допустимых значений до планируемого очередного ТО ЦСП предлагается ввести еще один вид многофакторности: два дополнительных уровня уведомления по каждому параметру.
5. Разработан алгоритм выбора (из 11 видов) и использования оптимальной квазидетерминированной модели для прогнозирования технического состояния ЦСП
6. Разработана методика назначения интервалов времени, когда необходимо провести ТО (или ремонт) обслуживаемой ЦСП по нескольким определяющим параметрам с использованием перспективной гибкой стратегии обслуживания и ремонта элементов ЦСП.
Список литературы
1. Рекомендация МСЭ-Т G.821 Показатели качества по ошибкам в международном цифровом соединении, работающем на битовой скорости ниже первичной скорости и образующим часть цифровой сети с интеграцией служб. 2002. - 18 с.
2. Рекомендация ITU-T G.826 Параметры показателей ошибок и нормы между оконечными пунктами для международных цифровых трактов и соединений с постоянной скоростью передач. 2002. 18 с.
3. Рекомендация ITU-T M.2100 Нормы качественных показателей при вводе в эксплуатацию и техническом обслуживании международных трактов и соединений PDH многих операторов. 2003. 50 с.
4. Канаков В.А. Новые технологии измерения в цифровых каналах передачи информации. Учебно-методический материал по программе повышения квалификации «Современные системы мобильной цифровой связи, проблемы помехозащищенности и защиты информации». Нижний Новгород, 2006. 91 с.
5. Нормы на электрические параметры основных цифровых каналов и трактов магистральной и внутризоновых первичных сетей ВСС России. Приказ Министерства связи Российской Федерации №92 от 10.08.1996 года, М, 1996. 72 с.
6. ГОСТ Р ИСО 13381-1-2016 Прогнозирование технического состояния. Общее руководство. М, Стан-дартинформ, 2017. 24 с.
7. Будников А.В., Ходжаев И.А. Прогнозирование технического состояния радиоэлектронной аппаратуры с использованием полиномиальной модели и сплайн-аппроксимации. Международный научный журнал «СИМВОЛ НАУКИ», №4/2017, в 3-х частях, часть 2, г. Уфа, а/я «ОМЕГА-САЙНС», С. 36-44.
Ходжаев Ильмир Абдуллаевич, канд. техн. наук, доцент, сотрудник, [email protected]. Россия, Орел, Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации,
Соловьев Александр Михайлович, канд. техн. наук, сотрудник, [email protected]. Россия, Орел, Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации,
Гудиков Александр Львович, сотрудник, [email protected], Россия, Орел, Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации
SELECTION OF PARAMETERS FOR PREDICTION THE TECHNICAL CONDITION OF DIGITAL TRANSMISSION
SYSTEMS
I.A. Khodzhaev, A.M. Solovyov, A.L. Gudikov
The article discusses informative defining parameters suitable for predicting the technical condition of digital transmission systems during their operation using flexible maintenance and repair strategies.
Key words: technical condition, informative parameters of digital transmission systems, condition-based maintenance strategy, gradual and sudden failures, prediction algorithm.
Khodzhaev Ilmir Abdullayevich, candidate of technical sciences, docent, employee, [email protected], Russia, Orel, Academy of the Federal Security Service of the Russian Federation,
Solovyov Alexander Mikhailovich, candidate of technical sciences, employee, [email protected]. Russia, Orel, Academy of the Federal Security Service of the Russian Federation,
Gudikov Alexander Lvovich, employee, [email protected], Russia, Orel, Academy of the Federal Security Service of the Russian Federation
УДК 621.396
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-11-138-139
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОГО СИГНАЛА, ФОРМИРУЕМОГО АНТЕННОЙ РЕШЕТКОЙ С ДИАГРАММООБРАЗУЮЩЕЙ СХЕМОЙ
В.А. Кочетков, А.Е. Черкасов, И.В. Солдатиков
В статье получены аналитические выражения, представляющие пространственно-временной сигнала на основе последовательного учета аналитических выражений и методов решения уравнений электродинамики, определяющих поле преломленной волны радиочастотной линзой, ее преобразование, происходящее на входе и выходе ДОС, а также математическое выражение радиосигнала при распространении к питающим портам АР и на выходе антенной системы.
Ключевые слова: линзовые антенные решетки, линза Ротмана, диаграммообразующая схема.
Непрерывный рост информационного обмена посредством беспроводных телекоммуникационных систем стимулирует развитие мобильных сетей беспроводного доступа, систем беспроводной связи двойного назначения, сетей типа М2М (machine-to-machine). Широкое использование систем беспроводной связи ставит перед специалистами в области разработки и эксплуатации современных телекоммуникационных систем необходимость решения ряда научных, технологических и практических задач, направленных на повышение устойчивости их функционирования [1].
Разработчики антенной техники и специалисты в области беспроводной связи проявляют значительный интерес к проблемам разработки и совершенствования многолучевых и сканирующих антенных систем (АС). В общем случае, такие антенны представляет собой решетку излучателей и диаграммообразующую схему (ДОС), формирующую в АС требуемые амплитудно-фазовых распределения (АФР) поля электромагнитной волны [1].
138
