В настоящее время существует много информации, касающейся измерений параметров и эксплуатации каналов связи сетей общего пользования. Однако, кроме сетей общего пользования, существуют и сети связи специального назначения, например, ведомственные сети. Сети связи специального назначения (СССН) предназначены для нужд государственного управления, обороны страны, безопасности государства и обеспечения правопорядка. Анализ особенностей работы на таких сетях связи, эксплуатационных характеристик каналов связи таких сетей – важная задача при разработке новой специальной техники связи, ее линейных испытаниях и опытной эксплуатации.
Для СССН очень остро стоит проблема «переходного периода» от аналоговых сетей к цифровым. Есть два пути ее решения. Либо полностью менять аналоговую сеть на цифровую, либо создавать каналообразующую и прочую специальную аппаратуру связи для существующих сетей связи с учетом их развития. На полную замену кабельной сети связи, аналоговых каналообразующих средств, существующего парка техники связи уйдут годы. К тому же, развитие цифровых телекоммуникаций в той или иной степени включает в себя оборудование аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей для стыка с аналоговыми подсистемами и для сопряжения с аналоговым оборудованием. Поэтому на данный момент разработчикам и заказчикам приходится искать компромисс и создавать технику связи для работы на «смешанных сетях» с учетом современных требований к качеству, скорости, защищенности передаваемой информации. Таким образом, большинство каналов связи одновременно могут рассматриваться, как аналоговые, так и цифровые. Требуется исследование характеристик подобных «смешанных сетей» связи. Напрашивается вывод о необходимости оценки параметров, которые характеризуют аналоговые и цифровые каналы в комплексе. Чтобы понять этот симбиоз, рассмотрим, что мы понимаем под цифровым каналом, что характеризует его качество? А затем рассмотрим аналоговые эксплуатационные параметры каналов СССН, которые требуют оценки и влияют на параметры цифрового канала.
Основным цифровым каналом является цифровой бинарный канал, т.е. канал, в котором циркулирует двоичная информация. К основным показателям качества цифровых систем передачи и коммутации относятся параметры ошибки и готовности канала. В рамках международных стандартов приняты следующие основные параметры качества цифровых систем передачи: BER – количество битовых ошибок, EFS – количество секунд, пораженных ошибками, SES – количество секунд, несколько раз пораженных ошибками, AS – количество секунд готовности канала и UAS – количество секунд неготовности канала. Методология измерений по битам составляет фундамент измерений цифровых каналов связи и используется даже для анализа систем с различными типами модуляции и кодирования. Более подробно параметры, используемые для анализа характеристик бинарного канала, описаны рекомендациями МСЭ-Т G.821, G.826 и M.2100.
Различают два типа измерений бинарного канала – с отключением и без отключения канала. Измерения с отключением канала предусматривают, что канал не используется в процессе измерений для передачи реального цифрового трафика, передается специальная тестовая последовательность. Последовательность заранее известна на приеме, это позволяет анализировать параметры канала с точностью до одной битовой ошибки, правда с учетом точной синхронизации передатчика и приемника. Измерения без отключения канала часто называются мониторингом, поскольку измерения производятся в режиме работающего канала, а анализатор в этом случае подключается параллельно и осуществляет пассивный мониторинг канала. Алгоритм организации измерений основан на применении различных типов цикловых кодов или служебной информации, передаваемой в канале. Точность данного метода хуже, т.е. не позволяет локализовать единичную битовую ошибку, но отсутствие необходимости отключения канала существенный плюс. С учетом анализа функционирования СССН замечено, что первый тип измерений бинарного канала имеет существенное значение при испытаниях новой техники, например, упрощает поиск и разрешение проблемных моментов протокольного обмена. В то время как второй вариант более выигрышный в условиях эксплуатации, когда контроль качества связи необходимо осуществлять без ущерба доступности ресурсов сети, учитывая важность абонентов.
Зависимость параметра
ошибки BER
от отношения сигнал/шум можно выделить как основную характеристику
цифровой системы, поскольку она влияет на стабильность связи.
Параметр ошибки оценивается как функция отношения сигнал/шум
.
А вот уже на уровень шума по отношению к полезному сигналу влияют
разные параметры, большинство из которых имеет аналоговый характер.
Первое, что напрашивается из вышеописанного, это необходимость измерения уровня затухания сигнала. Уровень сигнала определяют измерителями уровня. Поскольку уровень сигнала нужно измерять на разных частотах, то нужен еще и измеритель с перестраиваемой частотой. Как правило, эти два вида измерений совмещены в одном приборе. Другими словами, для оценки качества цифровых каналов требуется измерение АЧХ аналоговых каналов. В последнее время распространенными средствами анализа АЧХ, предлагаемыми на рынке измерительного оборудования, являются анализаторы спектра [1].
Абонентские кабельные сети на основе оптоволоконных линий связи в нашей стране еще не сильно развиты, но поскольку они существуют, в том числе и на СССН, то новые измерительные задачи требуют новых измерительных решений. Здесь в отличие от каналов, образованных электрическим кабелем, требуются не измерители уровня электрического сигнала, а измерители оптической мощности [2].
Для проводных сетей характерны так называемые межкабельные переходные влияния [3], т.е. неконтролируемые помехи со стороны соседних кабелей. В общем случае генерируемый сигнал в соседнем кабеле неизвестен, поэтому техническая возможность его компенсации отсутствует. Это накладывает на передачу информации скоростные ограничения, а для абонентов СССН повышение такого критерия как скорость передачи не менее важно, чем для коммерческих сетей. Определение и, соответственно, ограничение влияния этого параметра особенно важно и с другой стороны, по соображениям информационной безопасности. Межкабельные переходные влияния приводят к нежелательным утечкам информации ограниченного пользования. Еще одной причиной ухудшения качества связи является нарушение электрической симметрии проводов. В общем случае, для количественной оценки симметрии служит так называемый коэффициент затухания асимметрии. Это частотно зависимый параметр, нормируемый в области полосы рабочих частот. Чем больше коэффициент затухания асимметрии, тем менее абонентская линия чувствительна к внешним помехам. Следствием недостаточной симметрии абонентской линии является прослушивание посторонних сигналов — других разговоров, фона переменного тока 50 Гц, канала радиотрансляции и т.д.
Поскольку на СССН используются коммутируемые каналы телефонных сетей общего пользования (ТФОП), то существуют и проблемы присущие этим сетям. Наличие узлов развязки 2-х и 4-х проводных каналов является причиной появления эхо-сигналов в трактах приема. Наличие аппаратуры уплотнения приводит к появлению частотного сдвига. Необходимы измерения параметров эхо-сигналов для оценки их влияния на качество как цифровой, так и аналоговой связи, поскольку эхо-сигналы представляют собой мощную помеху, без устранения мешающего влияния которой практически невозможна организация передачи данных в дуплексном режиме по двухпроводным коммутируемым телефонным каналам. Существуют различные методики и алгоритмы, реализующие подобные измерения[4][5][6].
Другим важным параметром тракта является неравномерность фазово-частотной характеристики. Она влияет на уровень искажений при передаче широкополосных радиочастотных сигналов (сети сотовой связи GSM). Эта неравномерность определяется групповым временем прохождения (ГВП) или еще называют групповым временем задержки (ГВЗ). Для определения ГВП для проводных и беспроводных каналов можно использовать, например, все те же приборы с анализатором спектра в составе, например HP 11758V от Hewlett-Packard.
Еще один параметр важный для цифровых сетей и систем передачи данных – это дрожание фазы сигнала (фазовый джиттер). Джиттером или фазовым дрожанием называется явление фазовой модуляции принимаемого сигнала. Быстрые колебания частоты >10 Гц называют, собственно, джиттером, а медленные <10 Гц – вандером (дрейфом фазы). О методологии и средствах измерений джиттера и вандера в цифровых системах передачи подробно написано в [7], [ 8].
На параметры передачи данных по радиоканалам существенное влияние оказывают задержки и канальные ошибки. Задержки зависят от длины линии связи между приемником и передатчиком, количества и качества ретрансляторов. Причины канальных ошибок более разнообразны.
На качество связи в радиоканалах сильное влияние оказывает затухание сигнала. Затухание приводит к уменьшению отношения сигнал/шум, и как следствие, к увеличению параметра ошибки. Оно связано с факторами распространения сигнала по радиочастотному тракту (несогласованность сопротивления элементов тракта, атмосферные и природные причины, препятствия на пути сигнала), а также с многолучевым прохождением сигнала. При многолучевом прохождении сигнала возникает межсимвольная интерференция, когда последовательные биты информации накладываются друг на друга, что может приводить к замираниям сигнала, если разные лучи приходит к приемнику в противофазе. Это явление давно изучается и широко освещено в литературе, например [9].
Отличительной особенностью радиоволн в диапазоне от 800 до 900 МГц (диапазон сотовой связи GSM) является то, что они излучаются (и принимаются) только в определенных направлениях относительно антенны, т.е. ее диаграмма направленности имеет явно выраженные минимумы и максимумы. Кроме того, сигналы этих частот сильно поглощаются во влажной атмосфере, отражаются от стен и прочих поверхностей (например, от воды), а крупное препятствие, например, высотное здание или холм, и вовсе не позволит им распространиться дальше. Полное затухание может быть вызвано мертвыми зонами и замираниями, связанными с приближением к периферии обслуживаемой территории, где нет других ячеек, на которые можно перебросить ваш вызов.
При использование GSM-модемов в качестве удлинителей соединительной линии (интерфейс RS232) – максимальная скорость передачи данных составляет 28800 бит/с, при этом обычно эта скорость существенно ниже в силу различных причин, в том числе качества радиосвязи в точке приема. Для передачи речи приемлемого качества этого достаточно. Объемные файлы пересылать затруднительно. Более предпочтительны в данном случае радиоудлинители УКВ диапазона, где скорость может держаться на уровне 19200 бит/с при удаленности порядка 20 км и в зависимости от географии местности и других условий скорость может меняться. Однако в условиях плотной застройки (в городе), преимущества радиоудлинителей УКВ диапазона теряются. Оценка качества работы по радиоканалу требует тестирования в разных условиях, в разных режимах. Поиск удовлетворительного уровня радиосигнала порой занимает значительное время, а время – это критичный параметр для специальной связи. Поэтому важно осуществлять контроль за уровнем сигнала на приеме, а по возможности, разнесенный прием, выбор лучшей точки приема.
В спутниковых системах, используемых для ретрансляции сигналов, существенное влияние на передачу данных оказывает доплеровский сдвиг частоты.
На качество связи в радиоканалах сильное влияние оказывает взаимная интерференция, обусловленная огромным количеством источников электромагнитного излучения в области радиочастот, о чем свидетельствуют многочисленные научно-исследовательские работы, например, отчет НАТО по результатам исследований в области коротких волн [10]. Огромное количество источников электромагнитного излучения в области радиочастот снижает отношение сигнал/шум и увеличивает ошибки при цифровой передаче данных, а это приводит к срыву синхронизации аппаратуры, потерям при передаче документальной информации, ощутимым перерывам при разговоре. Решением подобных проблем занимаются уже давно. Например, системы связи с шумоподобными сигналами [11] позволяют существенно снизить зависимость качества передачи от отношения сигнал/шум.
Основным аналоговым каналом для проводных и радиочастотных систем связи на сетях связи специального назначения, используемым и в настоящее время, является канал ТЧ 300-3400Гц, 300-7000Гц.
В процессе эксплуатации техники связи на каналах ТЧ наиболее часто требуется оценка следующих общих параметров для проводных и беспроводных каналов: величина остаточного затухания, напряжение различного шума на выходе канала, отношение сигнал/шум, амплитудно-частотная характеристика (уровень приема на рабочей частоте для радиоканалов), нелинейные искажения. Для радиопередающих устройств характерно также измерение мощности на выходе передатчика и номиналов частот.
Методики измерения, тестирования и оценки параметров каналов ТЧ описаны в рекомендациях МСЭ-Т серии М, например, МСЭ-Т M.1020, M.1025 и М.1040. В нашей стране требования МСЭ-Т уточняют "Нормы на электрические параметры каналов ТЧ магистральной и внутризоновых первичных сетей".
Используемые на сетях специальной связи магистральные аналоговые и цифровые каналы арендуются у операторов связи и, соответственно, не требуют дополнительного нормирования. Плюс к этому использование в современных устройствах связи встроенных эквалайзеров, эхо-компенсаторов и т.п. позволяет реализовывать автоматическую подстройку под канал при незначительных отклонениях. Поэтому необходимость в вышерассмотренных измерениях более существенна для абонентских линий связи, собственно, где и есть основная проблема «переходного периода», а также на радиоканалах и системах связи, где определенные параметры могут меняться непрерывно и непредсказуемо.
Важной задачей при поиске неисправности в работе аппаратуры при коммутации соединений является контроль наличия, формы и длительности сигналов станционного взаимодействия (со стороны канальной и абонентской частей), а также протокольного обмена. Это дополнительно требует при необходимости отслеживать срывы синхронизации, корректность обмена специальными сигналами и т.д.
Для анализа параметров аналоговых каналов, а как частный случай, каналов тональной частоты в СССН, к сожалению, до сих пор широко используются узкоспециализированные измерительные приборы, причем весьма старого парка. Все эти приборы только в комплексе обеспечивают оценку параметров аналогового канала, что не всегда удобно, относительно долго и затруднительно, да и все параметры напрямую определить не удается. Есть другие альтернативные подходы к исследованию параметров каналов ТЧ, когда для определения параметров используют средства, работающие на сети связи и обладающие некоторым измерительным функционалом, но не предназначенные для этого [12]. Однако наиболее правильный подход к анализу аналоговых каналов и абонентских сетей, построенных на их основе, это использование комплексного метода – тонального тестирования, измерения импульсно-частотной характеристики и рефлектометрии. В настоящее время на рынке присутствуют приборы как отечественных, так и зарубежных производителей, в полной или частичной мере осуществляющие комплексный подход: например, DLM-9, DLM-20 фирмы W.G., К.3301 фирмы Siemens, SunSet MTT с модулем SSMTT-6В от Sunrise Telecom, ТДА-3, TDA-5 фирмы "Аналитик-ТС", малогабаритные приборы фирмы «Связьприбор» АКТЧ и ТЧ-ПРО, ИПКТЧ для расширенного диапазона от ООО «Балтприборсервис» и т.д. Для анализа параметров цифрового канала, где неисправность возникает чаще на логическом уровне (канальном, сетевом, иногда даже транспортном), чаще всего используются анализаторы протоколов. Специализированные, многофункциональные приборы, осуществляющие комплексный подход к анализу каналов связи, автоматизирующие определенные измерительные процедуры, позволяющие упростить работу технического персонала - это современная альтернатива устаревшим измерительным приборам, что подтверждается в [12].
Возрастание количества измерений на каналах связи, нарастание сложности аппаратуры, приводит к появлению задач оперативной оценки параметров каналов, выбора пригодных для работы каналов, удовлетворяющих определенным требованиям; требуется установление различного вида соединений в различных режимах работы испытываемой аппаратуры, контроль по заданному критерию качества установленных соединений, отслеживание ситуаций, приводящих к сбою в работе аппаратуры, мониторинг на различных участках организованного тракта связи, сбор статистики удачных и неудачных результатов проведенных проверок (тестов). Наблюдается значительный рост трудоемкости и стоимости измерений, проводимых при испытании новой аппаратуры связи и ее опытной эксплуатации. Следовательно, требуется создание специализированных автоматизированных средств измерений.
В данной статье предлагается концепция построения распределенной информационно-измерительной сети (ИИС), основным элементом которой будет автоматизированный измерительно-вычислительный комплекс (ИВК), для использования на сетях связи специального назначения. Это требует от подобной системы качества, оперативности и отсутствия возможного влияния на информационную безопасность сетей связи. Далее для обозначения распределенной ИИС будет использоваться определение «автоматизированная контрольно-измерительная сеть».
Рассмотрим структуру распределенной автоматизированной контрольно-измерительной сети, назначение и функционирование отдельного элемента сети. Весь тракт прохождения сигналов разбивается на контрольные участки (рис. 1), на которых определяются контрольные точки.
Рис. 1 Структура распределенной автоматизированной контрольно-измерительной сети
Контрольные точки объединяются на коммутационное поле, где осуществляются все манипуляции с сигналами путем последовательного или параллельного подключения к информационным и управляющим цепям специальной аппаратуры связи (СА), станционных стыков и т.д. Основу контрольного участка составляет автоматизированный программно-аппаратный комплекс или ИВК, состоящий из одного или нескольких измерительно-вычислительных модулей (ИВМ) и рабочего места оператора (РМО). РМО реализуется на основе ПЭВМ на базе ноутбука и является современным решением, сочетающим высокие технические характеристики и требования мобильности. ИВМ является микроконтроллерной системой с определенными функциональными вычислительными задачами, широкой периферией и буфером памяти. РМО и ИВМ общаются между собой через беспроводные приемо-передатчики, использующие инфракрасный (ИК) канал.
ИК канал выбран из соображений мобильности и информационной безопасности, что, к примеру, при организации испытаний и эксплуатации аппаратуры специальной связи на различных режимных объектах является важным условием. Преимущества и недостатки такого способа передачи информации не раз описывались в различных публикациях, например, [15],[16]. Однако в данном приложении недостатки, связанные с ограниченностью распространения радиоволн ИК-диапазона пределами помещения, скорее являются достоинствами с точки зрения информационной безопасности. В то же время, информационные сигналы, передаваемые в этом диапазоне, не подвержены влиянию электромагнитных помех и сами не являются источником помех. При этом сохраняется мобильность и независимость РМО от ИВМ, так ненаправленное излучение позволяет принимать и передавать информационные и управляющие сигналы в пределах помещения с учетом переотражений.
РМО должно обеспечивать настройку программы проведения испытаний, измерительных режимов, визуализацию результатов измерительных процедур, накопление статистики, анализ собранных данных, программирование алгоритмов поведения в режимах контроля. РМО обменивается информацией с ИК-приемо-передатчиком через USB или Ethernet соединение. РМО с приемо-передатчиком являются центральным узлом сети.
ИВМ представляет собой модуль с микроконтроллерным ядром, буфером памяти, аналого-цифровыми преобразователями АЦП и цифро-аналоговыми преобразователями ЦАП, коммутационным полем. В качестве микроконтроллерного ядра берется микроконтроллер фирмы Atmel – ATXMEGA128A1 [17].
Микроконтроллерное ядро осуществляет измерительные процедуры и контроль в соответствии с программой, полученной из РМО. С использованием процессорных мощностей микроконтроллерного ядра производится сигнатурный анализ поступающей информации, оценка событий. Алгоритмы сигнатурного анализа основаны на математических моделях регистров сдвига с обратными связями и их линейных и нелинейных модификаций [18]. Поступающая с контрольных точек информация оцифровывается посредством АЦП и передается на сигнатурный анализатор. Используя один из алгоритмов [18] анализатор из полученной информации выделяет сигнатуру, по которой определяет с учетом базы данных сигнатур ошибочная она или нет. Соответственно, в зависимости от решения и с учетом запущенной программы, сигнатура либо игнорируется, либо устанавливает соответствие с известными проблемами из базы данных сигнатур, либо запускаются контрольно-измерительные процедуры, позволяющие выявить причину появления ошибочной сигнатуры. Например, в сетях с коммутацией каналов с учетом нескольких переприемных участков могут возникать эхо-сигналы, причем их частота может смещаться относительно реальных сигналов, эти особенности влияют на устойчивость работы цифровых систем связи. Поэтому, запуская эффективную процедуру оценки параметров эхо-сигналов [5], можно оперативно выяснить причину сбоев в работе аппаратуры. После чего ошибочную сигнатуру можно сохранить в базе данных как идентифицированную. Для того чтобы, в случае появления ошибочной сигнатуры, отследить участок в тракте прохождения информации, где возможно были ее потери либо искажения вся поступающая информация накапливается в буфере памяти. После его переполнения она затирается по принципу FIFO (first input, first output). ЦАП используется для реализации тестовых сигналов измерительных процедур в составе с генератором псевдослучайных последовательностей ПСП. Коммутационное поле используется для коммутации контрольных точек в соответствии с заданной программой и режимом работы. ИВМ сопрягается с ИК-приемо-передатчиком через асинхронный последовательный интерфейс.
Микроконтроллерное ядро, в данном случае ATXMEGA128A1 [21], имеет богатую периферию (78 портов ввода/вывода, интерфейсы I2C, USART, SPI), ЦПУ 32 МГц (со встроенной системой ФАПЧ, позволяющей увеличить частоту в 2 раза), и что важно, 16 встроенных высокоскоростных 12-ти разрядных АЦП и 4 ЦАП, и также 24 канала ШИМ (широтно-импульсная модуляция). Все это «богатство» сужает размеры ИВК, грубо, до масштабов одного микроконтроллера с минимальным количеством дополнительных элементов. Другими словами, первичные измерительные преобразователи можно подключать к микроконтроллеру практически непосредственно, либо через буферы или гальваническую развязку. Количество портов ввода/вывода позволяет подключить к контроллеру графическое средство отображения, например, LCD и средства ввода информации, например, клавиатура. Для воздействия на объект все необходимое также имеется «на борту», ЦАП и ШИМ позволяют реализовать как синтез гармонических сигналов разного вида, так и управление аналоговыми устройствами в реальном времени. Внутренняя шина прямого доступа к памяти (DMA), расширенная система прерываний, все это позволяет значительно ускорить обработку информации микроконтроллером, приближая его микропроцессору. Можно отметить, что при частоте 32МГц, есть возможность организовать цифровую обработку сигналов, например, быстрое преобразование Фурье для спектрального анализа. К тому же можно организовать передачу данных между встроенными периферийными устройствами без вмешательства ЦПУ или использования DMA. Этим гарантируется 100%-ая предсказуемость и малое время реагирования. До 8 одновременных событий или условий прерывания в периферийных устройствах могут автоматически инициировать действия в других периферийных устройствах.
Наличие в ATXMEGA128A1 восьми асинхронных/синхронных последовательных интерфейсов USART, четырех 2-х и 3-х проводных интерфейсов I2C, четырех SPI, и встроенного инфракрасного приемо-передатчика по стандарту IrDA позволяет сделать вывод, что агрегатирование элементов ИИС на основе этого микроконтроллера можно произвести без каких-либо затруднений.
На основе предложенной микроконтроллерной системы можно построить недорогую, многофункциональную наращиваемую распределенную автоматизированную контрольно-измерительную сеть. Реализация такой сети (рис. 2), функционирующей с учетом алгоритмов специальных контрольных и измерительных методик должны позволить свести решение обозначенных в статье задач к простым и легко выполнимым процедурам. К тому же, разработка, развитие и внедрение подобной распределенной автоматизированной контрольно-измерительной сети является перспективной задачей совершенствования СССН.
Литература:
Альбрехт М. Олер, Дитер В. Шикетанц. Межкабельная переходная помеха: теория и измерение//LAN.-2006.-№1-С.26-32.
П.В. Колготин, Б.В. Султанов. Сравнение эффективности применения цифровых систем синхронизации 1-го и 2-го порядков для оценки сдвига частоты на фоне шума // Материалы 5-ой всероссийской научной конференции: «Проблемы развития системы специальной связи и специального информационного обеспечения государственного управления России». - Орел: Академия ФСО России, 8-9 февраля 2007г.
П.В. Колготин, Б.В. Султанов и др. Патент России №2345373, 27.01.2009.
Б.В. Султанов. Измерения параметров эхосигналов, возникающих при дуплексной передаче данных по коммутируемым каналам передачи данных / Б.В. Султанов, С.Л. Шутов, В.Е. Захаренков // Электросвязь. – 2002. – № 10. – С. 34 – 37.
И.Г. Бакланов. Методы измерений в системах связи. – М.: ЭКО-ТРЕНДЗ. 1999.
HF Interference, Procedures and Tools. Final Report of NATO RTO Information Systems Technology (IST). Published June 2007.
Л.Е. Варакин. Системы связи с шумоподобными сигналами. – М.: Радио и связь. - 1985. – 384с, ил.
А.В. Кочеров. К вопросу о пригодности каналов тональной частоты для передачи данных. // Сети и системы связи. - 1997. - №12.
И.Г. Бакланов. Измерения в телекоммуникациях. // Connect!Мир связи. – 2003. - №12.
А.В. Кочеров. Доклад представителя фирмы «Аналитик-ТС» на семинаре метрологов отрасли Связь. Республика Беларусь, Минск, 19-20 октября 2000г.
- А.Клоков. Беспроводная оптическая связь. Мифы и реальность. – «Технологии и средства связи», 2001г.
- http://article.cod3sun.com/obzor_irda.html.
Atmel. X mega A manual. - http://www.atmel.com/avr.
- К.Г. Кирьянов. Сигнатурный анализ. Методическое пособие. - Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, 1999г.
