Підвищення ефективності оптичних транспортних систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОДЕСЬКА НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ ЗВ'ЯЗКУ ім. О. С. ПОПОВА

КЛИМАШ МИХАЙЛО МИКОЛАЙОВИЧ

УДК 621.39:681.32

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ОПТИЧНИХ ТРАНСПОРТНИХ СИСТЕМ

05.12.02 - телекомунікаційні системи та мережі

Одеса - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант:доктор технічних наук, професор Захарченко Микола Васильович, Одеська національна академія зв'язку ім. О.С. Попова, проректор з навчальної роботи.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Рудий Євген Михайлович, Одеська національна академія зв'язку ім. О.С. Попова, професор кафедри документального електрозв'язку;

доктор технічних наук, професор Глоба Лариса Сергіївна, Національний технічний університет України “КПІ”, завідуюча кафедри інформаційнo-телекомунікаційних мереж;

доктор технічних наук, доцент Лемешко Олександр Віталійович, Харківський університет Повітряних Сил ім. І.Кожедуба, доцент кафедри бойового застосування вузлів зв'язку та радіотехнічного забезпечення і бортових радіоелектронних комплексів.

Захист дисертації відбудеться “ 14 ” вересня 2007 р. о 10.00 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.816.02 в Одеській національній академії зв'язку ім. О. С. Попова за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Ковальська, 1.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Одеської національної академії зв'язку ім. О. С. Попова за адресою: 65029, м. Одеса, вул. Ковальська, 1.

Автореферат розісланий“ 20 ” липня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради к.т.н., доцент Ложковський А.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Інтенсивний розвиток інфокомунікаційних технологій в усьому світі ставить перед Україною, як європейською державою, Державним департаментом з питань зв'язку та інформатизації України особливе завдання - забезпечення широкого спектру телекомунікаційних і інформаційних послуг користувачам на сучасному якісно-технічному рівні. Для досягнення високого рівня доступності до інформаційних ресурсів, реалізації вимог ринку інфокомунікаційних послуг потрібна розвинена транспортна магістральна система, яка б забезпечила ефективне використання телекомунікаційних комплексів і нових інформаційних технологій.

Основою телекомунікаційної мережі, що забезпечує надійне передавання різних видів інформації, є оптичні транспортні системи - складні та дорогі мережні комплекси. Враховуючи важливе значення даних систем для глобального розвитку, в усьому світі ведуться активні наукові пошуки та розробки як економічних моделей, що відповідають ринковим критеріям, так і технічних рішень, які забезпечать ефективне використання існуючих телекомунікаційних та інформаційних ресурсів за допомогою підвищення пропускної здатності, канальної ємності та конфігурації інформаційних потоків транспортних систем. При цьому слід врахувати складність аналізу та розробки відповідних методик - завдання технічного аналізу на порядок складніше економічних досліджень, але в той самий час не може бути від них відокремленим. Крім того, тільки сумісний аналіз технологій-фундаментів та технологій-надбудов може привести у взаємну відповідність показники “вимоги-можливості-ціна-якість”.

Процес дослідження підвищення ефективності та модифікації транспортних мереж телекомунікацій як складових метакласу - інфокомунікацій - це неперервний процес. Вимоги сьогодення до об'ємів інформації є швидкоплинними, їм притаманний гнучкий поліморфізм. Поняття ефективності транспортних систем інтегрує в собі якісно-вартісне співвідношення для практично всіх доступних інформаційних ресурсів. Термін “якість” для даного випадку включає весь багатогранний спектр параметрів інформації, як субстанції, що поширюється крізь інформаційну систему - надійність поширення та доступність, затримку, швидкість інформаційного потоку, але лише в сегменті транспортної системи, виключаючи системи оброблення самої інформації. Таким чином, дана робота присвячена аналізу мережно-залежних рівнів, що охоплюють базові властивості транспортних систем та формують своїми технологіями їх основні вартісні показники.

У процесі інтенсивного розвитку транспортних мереж виникає необхідність приймати максимально вигідні технічні та економічні рішення, які включають стратегічне планування, методики аналізу та їх застосування, оптимізацію існуючих мереж - розробку методів та засобів підвищення ефективності оптичних транспортних мереж. Вагомий доробок в створення методів аналізу та синтезу ефективних оптичних транспортних систем внесли Гауер Дж., Дональд Дж. Стерлінг, Беркман Л.Н., Величко В.В., Глоба Л.С., Жуков Є.А., Захарченко М.В., Іванов А.Б., Крон Г., Однорог П. М., Roger L. Freeman, Поповський В.В., Стеклов В.К., Скляров О.К., Каток В.Б., Соловьев О.О., Слепов М.М., Убайдуллаев Р.Р. та інших.

У їхніх роботах розглядаються та досліджуються принципи побудови оптичних систем зв'язку, проте недостатньо уваги приділено розвитку методів аналізу базової основи для таких систем - структури зв'язків, властивостей топології, надійності і продуктивності цієї структури та її складових - обладнання лінійних трактів та його конфігурації, враховуючи процес інтеграції в транспортну мережу, що впливає на структуру інформаційних потоків. Зокрема, не були ґрунтовно досліджені можливості топологічного узгодження властивостей потоків та граф-структури транспортної мережі для покращення структурних параметрів транспортної системи в цілому.

Враховуючи це, виникла необхідність у розробці теоретичних основ, необхідних для побудови систем автоматизованого аналізу тракту на спектральному рівні та оптимізації мережної структури на основі топологічного аналізу. На сучасному етапі при формуванні комплексних підходів до підвищення ефективності технічних рішень рівень урахування економічної стратегії розвитку транспортних підсистем інфокомунікацій є недостатнім. Тому слід розвинути аналітичні методи та рішення, застосування яких підвищує ефективність існуючих мереж передавання (транспорту) інформаційних потоків, а також збільшує економічні вигоди при проектуванні ефективних телекомунікаційних транспортних мереж, використанні нових методів та засобів підвищення пропускної здатності лінійних трактів, зокрема, запропонувати новий спосіб для автоматизованої системи компенсації поляризаційно-модової дисперсії (ПМД), з одночасним підвищенням надійності та загальної якості сервісу на мережно-залежних рівнях еталонної моделі взаємодії відкритих систем OSI.

Стан науково-практичної проблеми. Відомі методи аналізу мережних рішень спрямовані на опис комерційно вигідних для фірм-розробників субтехнологій, з використанням загальної платформи як основи, що не потребує удосконалення обладнання, розрахунку його параметрів та покращення методик впровадження. Але накопичений досвід, коли процеси заміни середовищ передавання або переривання у зв'язку призводять до значних матеріальних втрат, вимагає ефективного наскрізного проектування магістральних оптичних мереж. Вирішення даної задачі є надзвичайно важливим для забезпечення надійності та продуктивності оптичних транспортних систем, закладає основи національної інформаційної безпеки - функціонування магістральної транспортної мережі у площині єдиного інформаційного простору.

При стрімкому зростанні можливостей транспортного обладнання та цін на світовому ринку, важливою задачею став аналіз існуючої технічної бази транспортних систем, методик та інструментарію для її удосконалення з використанням сучасного аналітичного апарату і засобів моделювання.

Науково-прикладною проблемою, вирішенню якої присвячена дисертаційна робота, є розробка теоретичних положень, методів та засобів підвищення ефективності оптичних транспортних систем за технічними та економічними показниками. На момент початку роботи над дисертацією існувало коло невирішених проблем, сформулюємо основні з них:

а) невизначеність щодо граничних фізичних пропускних здатностей оптичних трактів, необхідність удосконалення математичного апарату для опису трактів зі спектральним ущільненням. Даний стан справ сформувався внаслідок політики виробників обладнання, які пропонують застарілі рішення та суперечливі методики аналізу, чимало з яких стають на заваді подальшої ефективної модернізації національної транспортної мережі. Зокрема, потребують удосконалення та проведення подальших досліджень:

- математичний апарат і методи, призначені для опису та компенсації поляризаційно-модової дисперсії в магістральних оптичних трактах для збільшення максимальної пропускної здатності транспортних оптичних мережних систем;

- математичний апарат для визначення параметрів якості передавання в оптичному каналі системи зі спектральним ущільненням несучих;

б) необхідність побудови методів урахування фундаменту-топології (та її властивостей) транспортних мережних структур як при аналізі їх побудови, так і при маршрутизації та розподілі потоків у них - відсутність чіткої методики та адекватного підходу для опису топологічних властивостей мереж, їхнього топологічно-структурного аналізу й оптимізації;

в) потреба у розвитку наукового підходу до надійності магістральних телекомунікаційних мереж для урахування топологічних властивостей та сформованих на основі них критеріїв при аналізі та оптимізації надійності структур магістральних транспортних мереж.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тематика дисертаційної роботи безпосередньо пов'язана з пріоритетними напрямками розвитку науки і техніки в рамках державних програм розвитку та інформатизації Кабінету Міністрів України, координаційних планів науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України “Перспективні інформаційні технології, прилади комплексної автоматизації, систем зв'язку” та “Фундаментальні дослідження з найважливіших проблем природничих, суспільних і гуманітарних наук”.

У даній дисертаційній роботі узагальнені і систематизовані результати досліджень, проведених автором на кафедрі “Телекомунікації” Національного університету “Львівська політехніка”, її структурних підрозділах та лабораторіях у період з 1995 по 2007 рр. Результати досліджень увійшли до складу науково-технічних звітів 5-ти науково-дослідних робіт, пов'язаних із дослідженнями у галузі систем передавання інформації, волоконної оптики - систем оптимізації та компенсації нелінійних і дисперсійних ефектів, транспортних оптичних систем та інформаційно-мережного аналізу: “Розробка і дослідження методів підвищення пропускної здатності телекомунікаційних мереж шляхом обробки і ущільнення мультимедійних даних” (ДБ/Стиск), (2003 - 2005 рр. ), № держреєстрації 0103U004644; “Дослідження і оптимізація структури і топологій інфокомунікаційних систем і мереж” (ДБ/Структура), (2006 - 2007 рр.), № держреєстрації 0106U009587; госпдоговірної НДР “Основні принципи функціонування DWDM-систем: пропускна здатність і міжканальні завади. Розробка імітаційної моделі DWDM-оптичного лінійного тракту”, (2005 - 2006 рр.), № держ. реєстрації 0106U004703; госпдоговірної НДР “Дослідження методів та засобів підвищення ефективності оптичних транспортних систем”, (2006 р.), № держреєстрації 0107U001127; госпдоговірної НДР “Дослідження та оптимізація міських транспортних інфокомунікаційних мереж”, (2007 р.), № держреєстрації 0107U000822.

Мета і задачі дослідження: Мета дисертаційної роботи полягає у розвитку теоретичних основ аналізу та оптимізації структур і параметрів транспортних оптичних телекомунікаційних систем для підвищення їх ефективності. Поставлена мета вимагає формулювання наступних критеріїв оцінки транспортних оптичних систем:

1) загальна якість надання послуг користувачам транспортної системи;

2) ефективність використання пропускної здатності існуючих систем, у тому числі для випадку інтеграції в нові - оптимальність управління конфігурацією обладнання та інформаційними потоками транспортної мережі;

3) надійність магістральних оптичних систем;

4) оптимальність техніко-економічної стратегії розвитку транспортних систем для максимізації ефективності змін при розробці будь-якого технологічного сценарію на основі попередніх критеріїв.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

1. Сформувати базову концепцію розвитку транспортної інфраструктури з урахуванням техніко-економічних процесів та вирішити задачі техніко-економічного планування, для чого розробити новий та адаптувати існуючий математичний апарат.

2. На основі аналізу предметної області та розроблених аналітичних методик визначити шляхи адаптації та синтезу ефективних рішень для апаратно-логічної структури фізично-канального рівня транспортних оптичних мереж.

3. Дослідити властивості оптичних багатоканальних трактів із урахуванням дисперсійних ефектів, удосконалити та розробити математичний апарат, математичні моделі ПМД оптичних волокон та відповідні методи і системи компенсації для збільшення пропускної здатності оптичних трактів.

4. Розробити підходи, методи й алгоритми аналізу, які б враховували специфіку транспортних мереж на основі розрахунку топологічних властивостей графів з подальшим їх використанням як платформи для оптимізації потокових, надійнісних та якісних показників транспортних систем із застосуванням методів матричного аналізу.

5. Провести оптимізацію процесів маршрутизації в оптичних транспортних мережах для урахування топологічних властивостей редукованих граф-моделей відповідних структур.

6. Розробити і дослідити нові математичні моделі, методи та алгоритми для оптимізації надійності оптичних транспортних систем.

7. Апробувати створені методи, алгоритми аналізу та оптимізації шляхом проведення моделювання існуючих транспортних мережних систем для підтвердження необхідного рівня адекватності отриманих результатів з існуючими.

Об'єкт дослідження - транспортні оптичні телекомунікаційні системи, їх оптимізація та ефективність

Предмет дослідження - методи, технології та алгоритми підвищення ефективності оптичних транспортних систем.

Методи дослідження. Дослідження виконано на основі використання теорії систем та зв'язку, теорії графів, математичної статистики, прикладної фізичної оптики, методів лінійної алгебри та теорії ймовірностей, математичного та комп'ютерного моделювання, а також на основі експериментальних досліджень.

Наукова новизна роботи полягає у структурованому підході до аналізу транспортної телекомунікаційної мережі за допомогою послідовного аналізу: ланки-тракту (включно з фізичним рівнем транспортних систем), інтеграції ланки у загальну структуру з подальшим дослідженням необхідних параметрів транспортної мережної системи, побудові нових аналітичних методів та моделей топологічних властивостей транспортних мереж, які використовуються як при їх проектуванні, так і при керуванні інформаційними потоками та структурою мереж. Це забезпечується такими новими науковими результатами:

1. Розроблена модель оптимізації і прогнозування розвитку транспортних оптичних систем на основі принципів лінійного програмування та варіаційного числення з використанням підходів макроекономічного аналізу, що дозволило повною мірою урахувати особливості об'єкта дослідження при проведенні технологічних та структурних змін, а також визначити ефективні рамки їх застосування.

2. Вперше проведено аналіз ПМД в оптичних системах зі спектральним ущільненням каналів на основі сформованого математичного апарату з використанням матриць Джонса та запропоновано ефективний спосіб компенсації, що забезпечує збільшення пропускної здатності магістрального тракту в 2-3 рази.

3. Експериментально та шляхом моделювання досліджено характер ПМД спектральних каналів xWDM систем у 3- та 4-му вікнах прозорості і розроблено ефективну систему компенсації зі зворотним зв'язком та застосуванням електрооптичного модулятора, яка реалізує пропонований спосіб компенсації з мінімальними технічною складністю та вартістю порівняно з існуючими світовими аналогами.

4. Розроблена та обґрунтована загальна методика оцінки якості передавання інформації у оптичному каналі тракту систем xWDM, та, як наслідок - у транспортній мережній системі; отримані аналітичні залежності впливу всіх компонентів оптичного тракту на якісні показники роботи системи зі спектральним ущільненням каналів (ВОСПІ-СР), на основі цього запропоновані методики матрично-спектрального представлення та оцінки пропускної здатності багатоканального оптичного тракту, що дозволяє виконувати оптимальний за технічною ефективністю підбір обладнання оптичного тракту.

5. Вперше, на основі розвитку теорії графів уведено поняття “поле топології графа” та диференціальної функції поля топології графа; доведено, що ними однозначно та адекватно відображаються базові топологічні властивості транспортної мережної системи (надійнісно-потокові параметри фізичної та логічної топологій графа); вони дозволяють створити основу для топологічно-орієнтованої багатокритерійної оптимізації конфігурацій транспортних мереж та інформаційних потоків на основі швидких лінійних алгоритмів.

6. Удосконалена модель транспортної мережі для різних, в тому числі перевантажених, режимів роботи на основі класичних методів теорії графів, що дозволило створити відкриту програмну платформу для моделювання та оптимізації властивостей телекомунікаційних мереж та, зокрема, інформаційних потоків в умовах, наближених до реальних.

7. Вперше проаналізовані методи керування потоками та маршрутизацією на основі розроблених топологічно-узгоджених підходів; вирішені задачі розподілу потоків та оптимізації маршрутизації за критерієм мінімальної затримки інформації з урахуванням топологічних властивостей, що дозволяє забезпечувати підвищення ймовірності передавання інформаційних потоків на рівні 30-40% за критично високих рівнів завантаженості транспортних структур за рахунок обходу апріорі перевантажених ділянок мережі, сформовані алгоритми та проведено моделювання.

8. Класифіковані та розвинені методики та сформовані нові критерії для розрахунку та оптимізації структурної надійності транспортних телекомунікаційних систем на основі урахування топологічних властивостей; досліджено можливості оптимізації та оцінки розвитку існуючих структурних рішень магістральних транспортних мереж за допомогою спрощених графічно-координатних методів аналізу граф-моделей.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що:

· здійснено аналіз оптичних багатоканальних трактів і побудована програмна модель xWDM-тракту, яка вперше дозволила оцінити ефективність передавання даних в еквівалентному оптичному частотному каналі;

· на основі розвитку теорії графів створений програмно-апаратний комплекс для оптимізації структур телекомунікаційних мереж та визначення оптимальних параметрів і затримок інформації шляхом імітаційного моделювання; моделювання можливе у широкому діапазоні умов функціонування транспортної мережі, передбачена можливість симуляції аварійних ситуацій та пікових навантажень;

· адаптований апарат техніко-економічної оптимізації оптичних транспортних телекомунікаційних систем для вибору стратегії планування та інвестиційного розвитку набору транспортних підсистем в умовах економічних обмежень;

· розроблені високоефективні метод та система компенсації поляризаційно-модової дисперсії оптичних волокон магістральних транспортних трактів (Патент України №22348 від 25.04.2007 “Спосіб компенсації поляризаційно-модової дисперсії в системах передачі інформації зі спектральним ущільненням каналів”[18]), що дозволило підвищити пропускну здатність оптичних волокон у 1,7 - 5 разів;

Реалізація і впровадження результатів роботи. Результати роботи впроваджені у виробництво в Центрі технічної експлуатації № 6 Дирекції Первинної мережі України ВАТ “Укртелеком”, на Львівській філії ВАТ “Укртелеком”, Державному НДІ інформаційної інфраструктури, що підтверджено відповідними актами. Зокрема:

· застосовано модифіковані алгоритми аналізу та управління потоками, синтезовані з урахуванням топологічних властивостей транспортних мереж для покращення загальної якості сервісу магістральної мережі Львівської філії ВАТ “Укртелеком”. Для магістральної мережі передавання даних в годину пік отримано виграш 30-40% за ймовірністю маршрутизації, яка наближається до ймовірності проходження високопріоритетного трафіка; тестовий трафік з визначеним пріоритетом оброблявся за допомогою запропонованих топологічно-узгоджених алгоритмів маршрутизації;

· модифіковано структуру міської транспортної мережі м.Львова згідно з запропонованою методикою оптимізації структурної надійності на основі урахування топологічних властивостей. Отриманий розрахунковий виграш за структурною надійністю. Проведене конфігурування обладнання транспортних систем згідно з методикою розрахунку потокових характеристик на основі поля топології графа отриманої транспортної структури.

Наукові та практичні результати виконаних досліджень використані в учбовому процесі, в лекційних курсах і лабораторних роботах, які проводяться для студентів Національного університету “Львівська політехніка” за напрямом “Телекомунікації” та спеціальністю “Інформаційні мережі зв'язку”, зокрема “Оптичні та радіоканали”, “Технології мобільного зв'язку”, “Управління потоками в телекомунікаційних мережах”.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові результати і положення дисертації представлялись, доповідались та всебічно обговорені більш ніж на 20 міжнародних науково-технічних конференціях, 15 наукових семінарах та симпозіумах: ювілейної міжнародної науково-практичної конференції “Сучасні і майбутні інформаційні технології України” (Київ, 2000); міжнародних науково-технічних конференціях: “Системы и средства передачи и обработки информации” - ССПОИ (м. Одеса, 2002, 2003, 2004 рр.); “Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та комп'ютерної інженерії” - TCSET (м. Львів-м. Славсько, 1998, 2000, 2002, 2004, 2006 рр.); “Досвід розробки та застосування приладо-технологічних САПР в мікроелектроніці” - CADSM (м. Львів-Поляна, 1999, 2001, 2003, 2005, 2007 рр.); “Сучасний стан та перспективи використання ВОЛЗ. Первинні мережі як транспортна основа інфокомунікаційної інфраструктури України” (м. Запоріжжя, 2001, 2003 рр.); “Сучасні проблеми радіоелектроніки” - СПРТП-2007 (м. Вінниця, 2007); “Проблеми телекомунікацій” ПТ-07 (м. Київ, 2007 р.); “Advanced Optoelectronics and Lasers” - CAOL-2003, “Laser and Fiber-Optical Networks Modelling” - LFNM-2003 (м. Алушта, 2003 р.); науково-практичних конференціях “Сучасні проблеми телекомунікацій” (м. Львів, 2001-2006 рр.).

Публікації. За результатами досліджень, які викладені в даній дисертаційній роботі, опубліковано 93 наукові праці, серед них 2 монографії, 47 статей у фахових виданнях згідно з переліком ВАК України, 1 патент України, 43 публікації у збірниках праць міжнародних і державних конференцій.

Особистий внесок здобувача. Всі результати наукових, теоретичних і практичних досліджень, викладені в дисертації, одержані автором особисто. У працях, опублікованих у співавторстві, дисертантові належать: у роботах [1, 2, 44, 47] - постановка задачі, формування концептуального напрямку роботи та теоретичні дослідження; у [5, 14, 23, 28, 32, 42, 43, 52] - постановка задачі та аналіз тракту багатоканальної оптичної системи передавання інформації за якісними характеристиками; у [2, 6, 9, 11, 18, 20, 24, 30, 34, 40, 53, 58, 60] - постановка задачі, аналіз дисперсійних ефектів і пропускної здатності багатоканальних оптичних трактів, розробка та моделювання системи компенсації поляризаційно-модової дисперсії зі зворотним зв'язком; у [3, 4, 7, 10, 15, 17, 22, 27, 33, 41, 46, 48, 50, 51] - аналіз властивостей телекомунікаційних мереж; у [8, 12, 19, 35, 49, 54] - методика застосування топологічних властивостей для оптимізації потоків, маршрутизації, структур топологій магістральних транспортних мереж; [12, 13, 16, 21, 25, 26, 31, 36, 38, 39 45] - постановка задачі та оптимізація надійнісних характеристик транспортних телекомунікаційних мереж; у [1, 29, 37, 43, 55-57, 59] - постановка задачі, розробка технологічних концепцій розвитку транспортної мережної інфраструктури та аналіз результатів.

Структура та обсяг роботи. Робота складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг роботи складає 310 сторінок друкарського тексту, із них 53 рисунки на 23 сторінках, 7 таблиць на 5 сторінках, список використаних джерел зі 198 найменувань, 3 додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

У вступі наведено базові концепції дисертаційної роботи. Розкрито суть і стан проблеми, обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету та задачі дослідження, наукову новизну, практичну значимість. Приведено короткі анотації розділів дисертаційної роботи.

Показано, що існує певна ієрархія пріоритетності інструментарію підвищення ефективності ТК систем, оскільки при підвищенні, наприклад, вимог до пропускної здатності вона може бути збільшена як за рахунок модернізації апаратної бази, так і за рахунок нарощування об'ємів обладнання та каналів, що використовуються паралельно. Природно, що пріоритетність та наукоємність першого шляху є вищою, так само, як і економічний ефект від впровадження відповідних рішень. Так, зокрема, сталося при впровадженні WDM технологій та технологій мережного менеджменту на оптичних трасах. Необхідно враховувати, що оптимальна конфігурація потоків, маршрутизація та їх ефективний розподіл елементами транспортної системи є неодмінними складовими ефективного проектування, а також використання загальної пропускної здатності системи.

У першому розділі - “Аналіз і розвиток оптичних транспортних інфокомунікаційних систем за технічними та економічними критеріями” - розглядаються концепції розвитку транспортних мереж у сучасних технологічних та економічних умовах. Розробляються принципи методології підвищення ефективності існуючих мережних транспортних рішень. Виконується декомпозиція множини задач еквівалентних опису та вибору об'єктів - складових інтегральної транспортної мережі. Установлюється пріоритетність для використання тих чи інших технічних рішень.

Для побудови логічної структури наступних розділів роботи запропоновано використати семантичні ознаки понять “методика”, “методичний аналіз” для вибору, аналізу та вдосконалення “інструментарію”, як сукупності методів та засобів.

Також запропоновано використовувати узагальнені методики економічного аналізу та обґрунтування, які адаптовані для вирішення стратегічних задач телекомунікаційного спрямування. Проведено вирішення задач оптимального розподілу капіталовкладень та стратегії капіталовкладень на визначений проміжок часу для розвитку функціонального набору транспортних підсистем.

Транспортну магістральну мережу представлено як деяку кількість підсистем S за видами послуг, які надаються конкретною підсистемою за її профілем -призначенням. Кількість підсистем S може змінюватись у залежності від вибраних критеріїв розмежування.

Розвиток підсистем слід підпорядкувати цілям, що формулюються, як результати застосування єдиної методики проектування. Сформована методика передбачає використання існуючих незадіяних ресурсних потужностей , де m - розмірність номенклатури ресурсів. Резервами ресурсів можуть бути: пропускна здатність, незадіяне обладнання, що може її наростити, незадіяні та неактивні серверні системи.

Нехай потреби у послугах користувачів є результатом розрахунків за допомогою методики аналізу транспортних мереж та враховують існуючі пропускні здатності, що вносять корективи у резерви, формують вимоги до модернізації та розвитку мережі, затрат обладнання і фінансового еквівалента на сучасність та визначене майбутнє. Опишемо їх вектором , де - кількість послуг i-го виду, що передбачені для надання їх в процесі розвитку мережі. багатоканальний мережа оптичний

Для знаходження оптимального розв'язку задачі оптимізації розподілу техніко-економічних ресурсів в умовах обмеженого фінансування використовується матриця нормативних затрат незадіяних ресурсів:

.

Елементи матриці - кількості i-го ресурсу для надання одиниці j-х послуг, які визначаються шляхом розв'язання задач оптимізації структури транспортної мережі чи інфокомунікаційної системи в цілому за методикою мережного аналізу. Резерви можуть поповнюватися або зменшуватися в процесі реорганізацій або зміни умов діяльності телекомунікаційної мережної системи.

Відомі також нижні граничні норми об'ємів надаваних послуг, порушення яких призводить до втрати рентабельності телекомунікаційних провайдерів та операторів інфокомунікацій - границі життєдіяльності. Встановлюємо також нормативи затрат локальних підсистем. Будемо вважати, що завдання, яке ставиться сформованою методикою розвитку, не може бути виконане через обмеженість наявних резервів з економічних причин.

Викладені вище припущення дозволяють запропонувати модель раціонального розподілу запасів ресурсів обладнання чи фінансового еквівалента.

Внаслідок недостатності рівня резервів вектор оптимального надання послуг досягти не можна. Отже, слід вирішити завдання - за наявних резервних ресурсів забезпечити найвищий відсоток з виконання методичних рекомендацій щодо розвитку телекомунікаційних транспортних систем. Це означає, що необхідно забезпечити

,

за виконання умов:

Діяльність кожної підсистеми має бути економічно обґрунтованою. Локальна мета кожної з v підсистем складається з максимізації прибутку:

, (1)

за виконання умов у процесі функціонування:

(2)

Нехай - характеризує межу рентабельності транспортної телекомунікаційної мережі. Жодна послуга не буде надаватися провайдерами менше обсягу . - ціна k-го виду послуг для v-ї підсистеми; - ціна послуг для v-ї підсистеми.

Таким чином, сформована модель оптимізації розподілу техніко-економічних ресурсів (1),(2) є багатокритерійною. Методом розв'язку даної задачі є одержання розв'язку за Парето у вигляді задачі лінійного програмування.

Описаний вище алгоритм може бути з успіхом розповсюджений для техніко-економічних розрахунків задач інфокомунікаційної проблематики.

Розглянемо математичну модель оптимального керування ресурсами транспортної телекомунікаційної мережі:

(3)

де - похідна функції по t. - неперервно-диференційовані функції за фазовими змінними - вектор-параметр керування, який знаходиться в розпорядженні осіб, що приймають рішення, та дозволяє керувати розвитком транспортних підсистем (ресурсів мережі) згідно з концепцією максимальної техніко-економічної ефективності. , де U - множина змінних вектор-параметра керування.

Будемо вважати, що необхідно перевести систему за фіксований час T зі стартового стану у такий стан , в якому функціонал:

(4)

досягає найменшого значення, де - диференційована функція аргументів . Тобто, слід знайти таке оптимальне керування, тобто набір з множини U і відповідну йому оптимальну траєкторію, що мінімізують функціонал (4).

Спряженою до (3) будемо називати систему рівнянь:

(5)

де H - функція Гамільтона:

Сформулюємо необхідні твердження, на основі принципу максимуму Л.С. Понтрягіна.

Твердження. Для розв'язання задачі (3), (4) необхідне виконання умови:

(6)

або

при кожному , що задовольняє (5).

Очевидно, у разі виконання умови (6) на єдиному наборі та існування розв'язку задачі оптимального керування принцип максимуму є і достатньою умовою оптимальності на розв'язках задачі (3),(5).

Застосуємо принцип максимуму на прикладі моделі керування розвитком транспортної телекомунікаційної інфраструктури - набору транспортних підсистем.

Функції будемо вважати залежними від часу. Опишемо модель розвитку інфокомунікаційної транспортної системи диференційним рівнянням вигляду:

(7)

де x - відношення вартості основних фондів (наявних ресурсів інфокомунікацій) до кількості користувачів; u - частка доходу, спрямована на збільшення основних фондів телекомунікацій - капітальні вкладення в ресурси - модернізація та розбудова транспортних мереж; n - амортизаційна постійна; - виробнича функція.

Математична модель (7) побудована на припущенні, що частка оплати праці та оподаткування становить - задані числа;

Задача полягає у знаходженні , що забезпечує мінімальне значення функціонала:

(8)

де c, T, с - наперед задані додатні числа.

Алгоритм розв'язання задачі:

1. Будуємо функцію Гамільтона для задачі (7), (8):

Де

2. Згідно з принципом максимуму:

Запишемо:

або .

Розв'язання для кожного з трьох можливих випадків (впровадження, розвиток, експлуатація) показує система:

Де

Точка переключення між періодами впровадження нових технологій та експлуатації транспортних оптичних систем знаходиться з наступної рівності:

.

Таким чином, отримано розв'язок технічно-макроекономічної задачі оптимізації розвитку інфокомунікаційної системи. Результатом стали оптимальні траєкторії змін відношення вартості основних та оборотних фондів по відношенню до кількості користувачів системи (наведені рішення) та політики відрахувань на розвиток шляхом інвестування в основні фонди . Даний підхід враховує як існуючий парк обладнання транспортних підсистем, що може бути визначений за допомогою методик мережного аналізу, так і макроекономічні закони розвитку.

В другому розділі роботи - “Основні принципи вибору параметрів оптичних транспортних інфокомунікаційних систем” - проведено дослідження фізичних основ оптимізації оптичних транспортних систем, методології аналізу мережної ланки і мережі в цілому. Розглядається також топологічний аналіз мережних структур, запропоновано вдосконалений математичний апарат для аналізу топології, його застосування до мережного аналізу та моделювання, особливості та перспективи, а також зв'язок з іншими технологіями аналізу та оптимізації.

Аналіз ланки зводиться до розгляду аспектів побудови і функціонування фізичного та канального рівнів систем передавання інформації. Якщо увага акцентується на оптичних системах, то аналізу підлягають у першу чергу технології реалізації фізичного передавання у волокнах (CWDM чи DWDM) та системи передавання, які технологічно визначають побудову канального рівня (SDH, Ethernet).

Пропускна здатність ланки-тракту напряму зв'язана з технологічними особливостями спектрального ущільнення та властивостями обладнання тракту, до якого безпосередньо входять оптичні волокна. Технологія спектрального ущільнення має бути адаптованою до передавання потоків, які утворюються вищими рівнями.

Отже, в розділі роботи проаналізовано:

1) аспект фізичної реалізації систем передавання з точки зору аналізу фізичної ланки як за якістю передавання у одному каналі, так і за якістю передавання всієї сукупності каналів багатоканальної системи на основі повного спектрального аналізу

На основі залежності коефіцієнта помилок та запропонованих співвідношень для опису шумів та завад системи, маючи сумарний оптичний шум системи та потужність за умови передавання рівня нуля, отримуємо можливість вивести формули для коефіцієнта помилок системи.

У загальному пропонується рівень шумів розраховувати за допомогою наступного виразу:

. (9)

Тут - кількість частотних каналів;

- коефіцієнти співвідношень, що описуються у роботі,

- значення коефіцієнта шумо-завад для джерел випромінювання,

- коефіцієнт шумо-завад оптичного мультиплексора,

-коефіцієнт шумо-завад для оптичного підсилювача,

- кількість підсилювачів,

- коефіцієнт шумо-завад для фотоприймачів ВОСПІ,

- коефіцієнт шумо-завад для волокна оптичних трактів.

Усі коефіцієнти у виразі (9) мають бути подані для абсолютних потужностей.

2) матрично-спектральне представлення системи зі спектральним ущільненням каналів. Показано, що таку систему можна представити лінійним (лінеаризованим з врахуванням специфіки нелінійних ефектів) рівнянням виду:

, (10)

де а_i - власні шуми i-ої компоненти системи (i=1...m); OSNR - відношення сигнал/шум на виході оптичного каналу магістрального тракту; х_i - обернена величина до потужності сигналу на вході в i-у компоненту системи.

Оскільки коефіцієнт а_i характеризує власні завади і-ої компоненти, то а_i є функцією параметрів i-ої компоненти: , де - вектор параметрів і-ої компоненти. Для представлення j каналів системи зі спектральним ущільненням записано систему рівнянь виду:

(11)

Для визначення потужності вхідних сигналів на різних довжинах хвиль для кожної компоненти системи слід розв'язати (11) відносно {}.

Визначивши компоненту (х_і), яка найбільше погіршує відношення сигнал/шум у каналі, необхідно проаналізувати коефіцієнт а_i,j, який визначає залежність показників якості системи від параметрів .

Отже задача визначення ефекту, який найбільше впливає на відношення сигнал/шум на виході системи зі спектральним ущільненням каналів, зводиться до визначення коефіцієнтів а_j,і матриці А при заданому векторі параметрів , а задача оптимізації DWDM - тракту зводиться до оптимізації параметрів вектора . В даному випадку доцільно використовувати багатокритерійну оптимізацію DWDM - тракту.

3) вплив топології та конфігурації повністю оптичної мережі на структуру та величини транспортних потоків, що дозволяє оцінити відносні значення рівнів перехресних завад у ланках оптичних мереж:

. (12)

Тут - кількість вузлів області аналізу, що дорівнює кількості елементів матриці спряження ; k - коефіцієнт розмірності; - енергетична функція передачі завад тракту; - матриця відносних рівнів завад ланок-трактів оптичної багатоканальної мережі.

За (12) проведений аналіз та оптимізація оптичних транспортних мереж за апріорною топологічною структурною завантаженістю - значеннями поля топології графу мережі (матричним параметром структури топології, що характеризує її апріорні потокові завантаженості), вразливістю-надійністю структури та величинами перехресних завад ланок мережі. Відповідний математичний апарат наведено у 4-му розділі дисертаційної роботи.

Методики аналізу є основою для прийняття рішень щодо оптимізації використання існуючих ресурсів та керування об'єктами аналізу.

У третьому розділі - “Дослідження методів та засобів підвищення пропускної здатності оптичних транспортних мереж” - розроблено ефективний інструментарій з урахуванням існуючих методів та засобів підвищення пропускної здатності, а також висновків, зроблених у попередньому розділі: відносно часового ущільнення - методи компенсації дисперсійних ефектів; спектрального ущільнення - методики розрахунку та максимізації пропускної здатності оптичного лінійного тракту.

Основним недоліком оптичних систем передавання з часовим ущільненням при високих швидкостях виступає дисперсія оптичних волокон, тому дисперсійні явища проаналізовано на можливість зменшення їх впливу в системі передавання.

Поляризаційно-модова дисперсія є основним обмежуючим фактором швидкості передавання у високошвидкісних телекомунікаційних мережах, тому обчислення й вимірювання ПМД є досить актуальними, причому вимірювання потрібно проводити після прокладання та інсталяції кабелів, оскільки механічні вигини і деформації можуть викликати двозаломлення, і, як наслідок, збільшення ПМД. За допомогою використання підсилювачів EDFA довжина регенераційної ділянки може бути суттєво збільшена, і всі види дисперсії, включаючи ПМД, повинні зводитися до мінімуму, тому що в протилежному випадку ефект від підсилення буде значно зменшений обмеженням частоти модуляції.

ПМД елементів ВОСПІ-СР проаналізовано та промодельовано за допомогою оригінального математичного апарату методом матриць Джонса.

Вектор Джонса світлового випромінювання лазера (лінійна вертикальна поляризація) подамо у вигляді:

.

Матриця Джонса для електрооптичного модулятора:

,

де ,, - азимут кристала, - різниця фаз вертикальної і горизонтальної поляризаційної складової оптичного випромінювання при проходженні через кристал, коли основні стани поляризації співпадають з швидкою і повільною осями кристалу.

Сигнал на виході електрооптичного модулятора описується як добуток:

.

Матриця Джонса кожного з сегментів ОВ задається відповідним рівнянням, а результуюча на виході системи - добутком матриць всіх компонентів тракту.

Розрахунок еліпсу поляризації світлового випромінювання на виході електрооптичного кристалу для випадку, коли зміщення кристала для забезпечення мінімального значення ПМД каналу тракту задається керуючим пристроєм від 0 до 2р і розбито на 100 робочих позицій, подано на рис. 1 у вигляді вектора Стокса на сфері Пуанкаре.

Рис. 1. Вектор Стокса випромінювання на виході модулятора, представлений на сфері Пуанкаре

На основі отриманих результатів пропонується використання методу компенсації ПМД, який реалізується у вигляді автоматизованої системи зі зворотним зв'язком та застосуванням електрооптичного модулятора.

Запропонована система (рис. 2 а,б) компенсації поляризаційно-модової дисперсії оперативно відстежує і компенсує відносно швидкі зміни диференційної групової затримки сигналів, які передаються через оптичне волокно.



а) Аналізатор визначає ДГЗ перед детектуванням сигналу;

б) Аналізатор визначає ПМД за коефіцієнтом помилок у системі;

Рис. 2. Схема ВОСПІ з системою мінімізації ПМД

Компенсатор поляризаційно-модової дисперсії забезпечує високу надійність функціонування, стабільність роботи, однакову ефективність компенсації ПМД на всіх довжинах хвиль системи зі спектральним ущільненням каналів, а також має невисоку вартість реалізації й експлуатації. Результати моделювання роботи системи передавання інформації із застосуванням системи компенсації дисперсії наведені на рис. 3. Залежність ефективності системи автоматичної компенсації ПМД зі зворотним зв'язком від кількості оптичних каналів показана на рис. 4.

Рис. 3. Розподіл диференційної групової затримки (ДГЗ) для системи з компенсацією і без компенсації ПМД, динаміка змін дорівнює 100

Рис. 4. Залежність ефективності компенсації від кількості вхідних сигналів

Зі збільшенням середнього часу, протягом якого двозаломлюючі характеристики ОВ не змінюються, ефективність використання схеми компенсації збільшується. Після певного значення динаміки зміни сегментів ОВ ефективність лишається незмінною. Це пояснюється тим, що передача відбувається з вхідним еліпсом поляризації, для якого ДГЗ є мінімальним, але не нульовим. Зменшення ПМД шляхом використання запропонованої схеми компенсації становить від 1,4 до 5 разів.

При сталій динаміці для ОВ заданої довжини існує така кількість вхідних сигналів, для якої ефективність використання схеми компенсації ПМД є максимальною.

Пропускна здатність транспортної мережі прямо пропорційно залежить від швидкості передавання на одній оптичній несучій, а підвищення швидкості передавання шляхом компенсації ПМД дозволить підвищити пропускну здатність оптичної транспортної мережі у квадратичній залежності.

У ході досліджень показано, що ефекти поляризаційно-модової дисперсії на швидкостях більше 2,4 Гбіт/с, завдяки запропонованій системі автоматичної компенсації можна суттєво зменшити. Це, відповідно, приведе до якісного прориву у збільшенні пропускної здатності на таких швидкостях.

У роботі розглянута сукупність питань, які пов'язані з методикою визначення пропускної здатності оптичного xWDM тракту - дисперсійними та нелінійними ефектами в оптичних волокнах, а також якістю та конфігурацією параметрів оптичного лінійного обладнання. За допомогою системного спектрального аналізу проаналізовано як одноканальні, так і багатоканальні тракти оптичних транспортних систем. У результаті запропоновано як засоби підвищення пропускної здатності та ефективності існуючих транспортних систем використати регулювання потужності випромінювачів, а як метод для оптимізації структури оптичного тракту - підбір конфігурації обладнання оптичного тракту за допомогою спеціалізованих програмних комплексів.

Можна зазначити, що високошвидкісні системи зі спектральним ущільненням каналів у багатьох випадках вимагають досить значних довжин лінійних трактів та, відповідно, високих потужностей на вході у волокно. Використавши результати другого розділу, де побудовані математичні моделі для більшості нелінійних ефектів та оптичних компонентів, які вносять якісні погіршення в оптичний сигнал при його поширенні оптичним трактом, та об'єднавши отримані аналітичні залежності в єдину математичну модель (9-12), було створено програмний комплекс, який дозволяє проводити оптимізацію обладнання оптичних лінійних трактів за якісними показниками передавання оптичних каналів xWDM-системи. Разом з цим, було удосконалено методику розрахунку та оптимізації граничної пропускної здатності оптичного багатоканального тракту. Створений програмний засіб апробовано на філії ЦПМ №6 Дирекції Первинних Мереж України шляхом порівняння результатів вимірів коефіцієнтів помилок оптичних трактів транспортної мережі регіону під час впровадження та реконфігурування обладнання спектрального ущільнення. Отримані результати засвідчили високу адекватність побудованих математичних і імітаційних моделей та закріплені відповідними актами впровадження.

У роботі наведені рекомендації щодо вибору компонентів оптичного xWDM-тракту, детально проаналізовано активне та пасивне обладнання оптичних систем.

У четвертому розділі - “Математичне моделювання та аналіз транспортних інфокомунікаційних мереж” - розвинено методи керування потоками в мережах, розроблено інструментарій, що забезпечить ефективний розподіл пропускної здатності та ефективну оптичну маршрутизацію на основі нових підходів матричного топологічного мережного аналізу. Побудовано математичні моделі та алгоритми для розрахунку потоків в оптичних транспортних мережах, а також проаналізовані методи реалізації оптичної маршрутизації у магістральних оптичних системах.

На основі доведення двох лем про однозначність подання топології просторами станів зв'язків матриці суміжності та про те, що оператором відображення множини топологічних зв'язків у множину можливих зв'язків є піднесення до степеня, сформульовано та доведено теореми про властивості топології транспортних мережних систем. Основна з них, зокрема, говорить, що значення відліків поля топології графа транспортної мережі (поняття “поле топології” - уведене автором), будуть однозначно відображати властивості топології графа, що заданий матрицею суміжності , та можуть бути отримані як значення елементів матриці суміжності, піднесені до степеня n-1. Інші присвячені опису та аналізу властивостей розвитку топології графа. Зокрема, розглянуто питання співіснування та протиставлення типів топологій “повнозв'язність” як похідних від “кільцевої”, топологіям “деревовидні” як похідним від “зірки”, а також топологічних аспектів поняття надійності мережних структур.

Аналіз топологічних властивостей графа мережної структури передбачає використання наступних концептуальних підходів:

1. Аналіз графу фізичних зв'язків у мережній структурі - може бути застосований для опису та аналізу фізично-надійнісних аспектів розвитку мережі.

2. Аналіз логічних зв'язків, каналів або потоків, як графа, що побудований поверх існуючого (несучого) графа (або його частини) фізичних зв'язків і являє собою інструмент для опису потоків у мережних структурах (граф віртуальних каналів або логічних з'єднань у мережі).

Важливим моментом при аналізі транспортної мережі за допомогою матричного представлення графа є те, що використано принцип - транспортна мережа розбудовується так, щоб забезпечити своєю структурою (фізичними та логічними зв'язками, їх розміщенням) оптимальне виконання функцій переносу інформації.

Тобто, вона має відповідну конфігурацію зв'язків та внутрішню структуру потоків для кожного конкретного випадку. У даному дослідженні запропоновано матричний параметр, що характеризує зв'язок між топологією мережі, її властивостями та фізичними параметрами - надійнісними властивостями мережної структури у випадку фізичної інтерпретації мережі графом та, з іншого боку, властивостями логічних потокових зв'язків у випадку інтерпретації графом структури потоків як віртуальних каналів, що можуть бути прокладені тільки з відповідним урахуванням фізичних зв'язків мережної структури. Фактично показано, як може розвиватися логічна топологія на основі заданої фізичної, у випадку, коли мережа призначена для інтеграції всіх вузлів необхідними потоками, які залежать від їх взаємного розміщення, тобто є транспортною.

Для прикладу - можна побудувати мережу за топологією “зірка”, але транспортувати інформацію у просторі за кільцевою схемою, поверх зірки через центр.

На основі цього підходу розроблені методики оптимізації маршрутизації за різними критеріями, а також розподілу та розрахунку потоків. Використання описаного підходу до аналізу транспортних мереж виконується вперше. Цей підхід до мережного аналізу є елементом наукової новизни порівняно з іншими відомими аналітичними методами.

Зокрема, запропоновано перспективні алгоритми для розподілу потоків, керування структурою потоків, оптичної маршрутизації. В основу багатьох алгоритмів покладено матричні аналітичні методи з урахуванням топологічних властивостей графів, вони розроблені в рамках даної дисертаційної роботи.

Автором виведено критерій мінімізації функціонала наступного виду:

. (13)

З аналізу виразу (13) можна зробити висновок, що чим менше окремих груп потоків (стандартних трактів потоків) займуть новоутворені потоки в мережі, тим вища якість сервісу мережі з N вузлів буде в цілому.

Для більш гнучкого та ефективного розподілу потоків з урахуванням (13)слід мінімізувати, за можливості, коефіцієнт ваги потоків () - простежується концепція “кожному окремому потоку (користувача) окремо маршрутизовану групу (-пи) потоків”.

Аналіз (13) разом з переконфігурацією стандартних мінімально маршрутизованих потоків дає нам вираз:

. (14)

Вираз (14) демонструє виграш W при переході на більш низькошвидкісні окремо маршрутизовані потоки, який виникає за рахунок підвищення гнучкості. Фактично такий потік можна розглядати як канал, точніше - логічний канал.

...