А.С. Байкенов, Т.А. Абишева
ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Учебное пособие
Алматы
АУЭС
УДК 621.394/397(075.8)
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор КазНИТУ им. К.И. Сатпаева
Д.З. Джурунтаев,
доктор технических наук, профессор КазНИТУ им. К.И. Сатпаева
Н.Т. Исембергенов,
доктор технических наук, академик КазНАЕН, профессор АУЭС
М.З. Якубова,
кандидат технических наук, профессор АУЭС
А.А.Копесбаева.
Рекомендовано к изданию Ученым советом «Алматинского университета энергетики и связи» (Протокол № 4 от 09.11.2015 г.). Печатается по тематическому плану выпуска ведомственной литературы АУЭС на 2015 год, позиция 27.
Байкенов А.С., Абишева Т.А.
Проектирование и техническая эксплуатация телекоммуникационных систем: Учебное пособие (для студентов специальности «Радиотехника, электроника и телекоммуникации»)/ А.С. Байкенов, Т.А. Абишева. – Алматы: АУЭС, 2016. – 64 с.: табл. 10, ил. 29, библиогр. - 44 назв.
ISBN
Учебное пособие посвящено вопросам проектирования и технической эксплуатации систем связи для студентов специальности «Радиотехника, электроника и телекоммуникации», которые являются актуальными при выполнении курсовых и дипломных проектов. В данном учебном пособии рассмотрены вопросы проектирования беспроводных и проводных сетей связи. Приведены основные расчеты построения оптической сети. Также в работе рассмотрены вопросы эксплуатации телекоммуникационных систем.
Учебное пособие предназначено для студентов специальности 5B071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации.
УДК 621.394/397(075.8)
ISBN © АУЭС, 2016
А.С. Байкенов,.
Т.А. Абишева, 2016
Содержание
Введение…………………………………………………………………………….4
1 Основные принципы проектирования ТКС…………………………………….5
1.1 Стандарты ECSS-М-СТ-60C………………………………………………..…8
2 Проектирование беспроводных систем связи………………………………...15
3 Проектирование волоконно-оптических систем связи………………………27
4 Предпроектные работы при проектировании пассивной оптической сети...36
5 Исходные данные для проектирования участков сети PON………………...37
6 Расчет оптического бюджета…………………………………………………..38
7 Техническое обслуживание оборудования сетей PON………………………43
7.1 Осмотр и техническое обслуживание линейных сооружений,
пассивного оборудования сетей PON…………………………………………...44
7.2 Профилактические измерения…………………………………………….....45
7.3 Текущий ремонт………………………………………………………………46
7.4 Поиск и устранения неисправностей в сети PON…………………………..47
8 Измерения при подключении нового абонентского устройства ……………54
8.1 Проведение охранных мероприятий………………………………………...54
8.2 Заземление оптических кабелей ……………………………………………..56
Заключение………………………………………………………………………..61
Список литературы……………………………………………………………….62
Введение
Процесс технологического развития телекоммуникаций напрямую связан с основными ее секторами: сети, услуги и терминальное оборудование. Достижения в областях микроэлектроники, фотонных технологиях и программном обеспечении определяют дальнейшую их эволюцию.
Для решения сложных задач проектирования телекоммуникаций с которыми мы сталкиваемся сегодня, необходимо оценить и выбрать среди широкого выбора размещения на рынке разнообразного оборудования обработки, ввода/вывода аппаратных компонентов и соответствующего программного обеспечения, инструменты, необходимые для программирования этих компонентов. Системы связи соединяют сети одной технологии с другой. Эти сети могут быть как аналоговые и цифровые, широкополосные или беспроводные сети, локальные сети (LAN) или глобальные вычислительные сети (WAN), с различными видами модуляций (амплитудной модуляцией) (АМ), частотной модуляцией) (FM) и т.д.). Системы связи соединены друг с другом с помощью проводов, кабелей, антенн или электромагнитных волн.
Функционально сеть разделяется на транспортную сеть и сеть доступа. Транспортная сеть обеспечивает перенос сообщений между получателями из одной сети доступа в другую.
Сеть доступа связывает источник или приемник сообщений с узлом доступа, граничным между транспортной сетью и сетью доступа.
По территориальному делению разделяются: международные, междугородние, зоновые и местные (городские и сельские).
На современном этапе развития происходит переход от аналоговых систем к цифровым системам связи. Проектировщик (дизайнер) должен сформулировать решения, которые все чаще требуют больше, чем один тип обработки элемента. Отсутствие интеграции между аппаратными компонентами и программными средствами становится помехой для реализации прототипа. Современные средства программного и системного обеспечения позволяют проектировать различные системы связи. Вопросы проектирования и технической эксплуатации систем связи для студентов специальности «Радиотехника, электроника и телекоммуникации» являются актуальными при выполнении курсовых проектов и в дальнейшем при дипломном проектировании. Данное учебное пособие позволяет рассмотреть вопросы этапов проектирования, основные расчеты, построение схем, основные показатели работоспособности и показатели качества и способы их измерений.
1 Основные принципы проектирования ТКС
На характеристики систем связи и рост производительности систем передачи и коммутации и предоставление большего числа услуг оказывает увеличение производительности компьютеров и рост объемов доступной памяти.
Проектирование телекоммуникационных систем (передача данных и изображений, голосовых сетей) и информационных систем (программного и аппаратного обеспечения) определяет подсистемы, компоненты и способы их соединения, задает ограничения, при которых система должна функционировать.
Современный уровень взаимодействия в мире предполагает совместимость оборудования телекоммуникаций различных производителей на основе международных стандартов и рекомендаций: Институт инженеров электротехники и электроники (Institute of Electrical and Electronics Engeneers, IEEE), МСЭ - Международный союз электросвязи (International Telecommunication Union, ITU), Специальная комиссия интернет - разработок (Internet Engeneering Task Force, IETF). Рынок услуг телекоммуникаций регулируется основными нормативными правовыми актами Республики Казахстан (действующие НПА).
На данный момент используются строительные и архитектурные ГОСТ и СНиП, например:
1) СНиП РК 1.02-18-2004 Инженерные изыскания для строительства.
2) СНиП РК 5.04-23-02 Стальные конструкции. Нормы проектирования.
3) СНиП II-89-80* Генеральные планы промышленных предприятий.
4) СНиП РК 1.03-00-2011 «Строительное производство. Организация строительства предприятий, зданий и сооружений» (с изменениями и дополнениями по состоянию на 01.07.2013 г.)
5) СНиП РК 3.02-01-2001* Жилые здания. Строительные нормы и правила.
6) СНиП РК 3.05-01-2010.Магистральные трубопроводы.
7) СНиП РК 4.04-10-2002 Электротехнические устройства.
ЕСКД - единая система конструкторской документации,согласована с рекомендациями ИСО и МЭК, устанавливает порядок проектирования, правила оформления чертежей, что способствует повышению качества, облегчает чтение чертежей. Комплекс ЕСКД делится на группы:
0 - общие положения (ГОСТ 2.001 - ГОСТ 2.004);
1 - основные положения (ГОСТ 2.101 - ГОСТ 2.125);
2 - обозначение изделий и документов (ГОСТ 2.201);
3 - общие правила выполнения чертежей (ГОСТ 2.301 - ГОСТ 2.321);
4 - правила выполнения чертежей различных изделий (ГОСТ 2.401 - ГОСТ 2.428);
5 - правила учёта и обращения конструкторских документов (ГОСТ 2.501 - ГОСТ 2.503);
6 - правила выполнения эксплуатационной и ремонтной документации (ГОСТ 2.601 - 2.608);
7 - правила выполнения схем (ГОСТ 2.701 - ГОСТ 2.711, ГОСТ 2.721 - ГОСТ 2.770, ГОСТ 2.780 - ГОСТ 2.782 - ГОСТ 2.797);
8 - выполнение макетной документации (ГОСТ 2.801 - ГОСТ 2.804, ГОСТ 2.850 - ГОСТ 2.857);
9 - прочие.
ЕСТД - единая система технологической документации определяет продолжительность подготовки производства и качество продукции. Основное назначение - установление правил оформления и обращения технологических документов, возможность ее разработки, заполнения и обработки средствами информационных технологий.
ЕСТД делится на группы:
0 - общие положения (ГОСТ 3.1001);
1 - основополагающие стандарты (ГОСТ 3.1102 - ГОСТ3.1130);
2 - классификация и обозначение технологических документов (ГОСТ 3.1201);
3 - учет применяемости деталей и сборных единиц в изделиях;
4 - основное производство, формы технологических документов и правила их оформления ГОСТ3.1401- ГОСТ3.1409, ГОСТ 3.1412 - ГОСТ 3.1428);
5 - основное производство, формы технологических документов и правила их оформления на испытания и контроль (ГОСТ 3.1502-3.1507);
6 - вспомогательное производство, формы технологических документов (ГОСТ3.1603);
7 - правила заполнения технологических документов (ГОСТ 3.1702 - ГОСТ 3.1707).
Проектирование предполагает предварительное изучение системы в целом как единой, осуществляющей определенные функции в конкретных условиях и взаимодействие отдельных частей системы. При предварительном проектировании выбирается структурная схема системы и оцениваются ее основные параметры.
Система связи как система передачи информации - этосовокупность передатчиков, приемников и каналов, осуществляющая передачу информации [Сборник рекомендуемых терминов. Выпуск 94. Теория передачи информации. Академия наук СССР. Комитет технической терминологии. 1979 г.].
Система связи - организационно техническая структура средств связи, включающая: опорную сеть связи, узлы связи, оконечные пункты связи, линии связи, систему технического обеспечения связи, систему управления связи, резервы средств связи.
В системе связи используются различные виды и средства связи:
- проводная;
- радиорелейная;
- тропосферная;
- космическая.
Основные требования к системе связи: готовность, высокая пропускная способность, защищенность, работоспособность, безопасность.
Оптимальность проектируемой системы обеспечивает математическое описание ее модели, которая аналитически соотносит внешние (помехоустойчивость, число каналов, пропускная способность, надежность, стоимость и т.п.) и внутренние (вид модуляции, тип кода, элементная база) параметры системы.
При проектировании различают следующие стадии:
Техническое предложение - обоснование разработки нового изделия.
Эскизный проект - представление об устройстве и принципе работы изделия, параметры и размеры.
Технический проект - это технические решения и исходные данные для разработки рабочей документации.
Основанием для проектирования систем связи является экономическая целесообразность и необходимость в деятельности предприятия.
Данными для проектирования являются: схема организации связи, технические характеристики на оборудование и кабели, пропускная способность, требуемая надежность и т.п.
Характеристиками сети являются надежность, пропускная способность (основная и резервная), управляемость, гибкость, возможность наращивания, конкурентоспособность (капитальные затраты и окупаемость). Важным условием проектирования является наличие технических условий на строительство и реконструкцию сооружений связи.
При необходимости проектная организация совместно с заказчиком разрабатывают технико-экономическое обоснование (ТЭО) - обоснование необходимости и очередности строительства или реконструкции объектов связи. С целью определения стоимости, эффективности вложений и оптимизации выполняются топографические, инженерные и другие изыскания.
Проектные решения оформляются в проектные документы на основании задания на проектирование (опросные листы и т.п.) и рабочего проекта.
Задание на проектирование составляется заказчиком совместно с генеральным проектировщиком (специализированные организации на субподряде при необходимости).
Основными задачами управления затратами и расписанием Европейского стандарта проектирования ECSS-М-СТ-60C являются:
- план точно поэтапных закупок, расходов и ресурсов для проекта;
- выделить какие-либо отклонения и, следовательно, предложить меры по исправлению положения, с целью завершения проекта в данный момент времени и финансовых ограничений.
Рисунок 1.1 - Европейские стандарты проектирования
1.1 Стандарт ECSS-М-СТ-60C
Основными задачами управления затратами и расписанием являются:
- план точных поэтапных закупок, расходов и ресурсов для проекта;
- выделить какие-либо отклонения и, следовательно, предложить меры по исправлению положения, с целью завершения проекта в данный момент времени и финансовых ограничений.
Управление Расписанием включает в себя мероприятия для достижения своевременного завершения проекта, а именно:
- определение Расписания, в том числе определение активности и последовательности, продолжительности деятельности оценки и графика базового учреждения, основных этапов;
- контроль Расписания, в том числе сравнение между действующим графиком рабочего и базового графика;
- расписание отчетности.
Управление затратами включает в себя мероприятия, чтобы завершить проект в рамках утвержденного бюджета, т.е.:
- оценка стоимости и планирование;
- контроль за уровнем издержек;
- стоимость отчетности.
Основными структурами для выполнения этих мероприятий являются:
1) Структура работ.
Сеть событий (например, начало, полная структура) и действия (например, проектирования, разработки и эксплуатации). Логические отношения между действиями позволяют координировать действия и получить конечный нужный результат.
2) Структура распределения затрат.
Общая стоимость планируется для каждого рабочего пакета, разбита на категории затрат (например, труд, не труд, субподряды). Для каждой категории затрат, различие между прямыми и косвенными затратами определяется каждым поставщиком для клиента.
3) Структура бизнес-соглашения.
Фиксированная цена фирмы, фиксированная цена с изменением, фиксированная цена единицы.
Стоимость возмещения плюс фиксированная плата, стоимость плюс стимул плата, время и материал возмещения.
4) Страна / Структура компании.
Структура Страна / Компания (CCS). Бизнес-соглашение для проекта показывает отношения между каждой компанией и странами, в которых осуществляется соответствующая работа.
Рисунок 1.2 - Типичные расходы на запуск спутника
Рисунок 1.3 - Структура к проектированию малых спутников
Стандарт ECSS-М-СТ-10C как правило, содержат:
- техническое задание;
- технические требования, документированные в технической спецификации требований, как определено в ecss-e-st-10-06;
- требования к управлению;
- требования к техническому обеспечению;
- требования по обеспечению товаров;
- программные требования;
- другие специфические требования проекта (например, географическое распределение, модель философии);
- перечень требований;
- требования к тендерам.
Проектные фазы.
Важно отметить что:
1) Обычно проект подразделен на 7 основных временных фаз.
2) Начало и конец каждой фазы (за исключением начала фазы "0") обозначены ключевыми пунктами, которым предшествует подготовка промежуточного документа(Projekt Revue).
3) Следующая фаза может быть начата до окончания предыдущей, однако, в этом случае необходима идентификация "опасных факторов" (Risk identification).
4) Для разделения проекта на фазы необходимо сформировать проектную философию.
Сервисное обслуживание и эксплуатация спутниковых систем.
Рассматриваются следующие вопросы сервисного обслуживания и эксплуатации спутниковых систем:
1) Основные функции обслуживания.
2) Элементы наземного комплекса.
3) Эксплуатационные фазы.
4) Основные функции обслуживания.
Таблица 1.1 - Планирование миссии и эксплуатация спутниковой системы
| 1 Планирование миссии | 3 Эксплуатация спутниковой системы |
| 2 Подготовка, обучение и тренировка операторов, аналитиков и другого эксплуатационного персонала | 4 Научно-техническая поддержка |
Планирование миссии:
- требования пользователей/потребителей;
- расписание работы наземной станции;
- создание и управление конфигурацией миссии*;
- разработка и формирование телекомманд и их видов;
- поддержка особых/специальных требования;
- расчёт орбитального движения ка - трекинг;
- расчёт и использование периодов радиовидимости;
- анализ загруженности системы.
Подготовка эксплуатационного персонала:
- разработка методики обучения и учебных модулей;
- теоретическая подготовка по управлению и контролю;
- тренировка на симуляторе;
- тренировка на космическом аппарате;
- непрерывное периодическое повышение квалификации в процессе эксплуатации.
Проектные фазы.
Важно отметить что:
- обычно проект подразделен на 7 основных временных фаз;
- начало и конец каждой фазы (за исключением начала фазы "0") обозначены ключевыми пунктами, которым предшествует подготовка промежуточного документа(Projekt Revue);
- следующая фаза может быть начата и до окончания предыдущей, однако, в этом случае необходима идентификация "опасных факторов" (Risk identification);
- для разделения проекта на фазы необходимо сформировать проектную философию.
Рисунок 1.4 - Проектные фазы и документация по нормам ECSS
Рисунок 1.5 - Проектные фазы
Выявленные проблемы, вопросы и решения, вытекающие из рассмотрения документации записываются на отзыв несоответствия (RID) формы:
а) каждый клиент должен подготовить бизнес-соглашение (МТС-х, ППП, или объявление в), в том числе требования к проектной документации (PRD);
б) каждый клиент должен использовать стандарты ECSS, установить планы управления проектом, требования к инженерным и тестовым продуктам, предъявляемые для проекта;
в) каждый клиент должен сделать, чтобы его поставщик применял только те ECSS стандарты, относящиеся к типу и фазе (ам) проекта, согласно бизнес соглашения;
г) каждый клиент должен указать требования, применимые в рамках стандарта, необходимые для его поставщика (для достижения целей проекта);
д) каждый клиент должен утвердить планы управления проектами и своего поставщика;
е) каждый клиент должен проверить соответствие его поставщика со всеми требования и ограничениями проекта;
ж) необходимо в цепи клиент-поставщик дополнительно обеспечить согласование требований планирования, наложенных в цепи клиент-поставщик.
Подготовка эксплуатационного персонала включает мероприятия:
- разработка методики обучения и учебных модулей;
- теоретическая подготовка по управлению и контролю КА;
- тренировка на симуляторе;
- тренировка на космическом аппарате;
- непрерывное периодическое повышение квалификации в процессе эксплуатации.
Эксплуатация спутниковой системы – это:
1) Управление космическим аппаратом или группой аппаратов (телекоманды).
2) Наблюдение и контроль работы бортовых систем (телеметрия).
3) Управление и контроль полезной нагрузки КА (целевая аппаратура научного-информационного характера)
4) Управление и контроль бортовыми и наземными записывающими устройствами с целью безотказного сохранения информации (TT&C + Payload).
5) Предотвращение и устранение аномальных состояний.
6) Трендовый анализ развития (деградации) космического сегмента.
Научно-техническая поддержка состоит:
1) Конструкция и тестовые процедуры.
2) Планирование орбитальных маневров.
3) Анализ поведения бортовых систем.
4) Свойства и особенности полезной нагрузки.
5) Анализ баланса энергоснабжения.
6) Устранение аномальных режимов.
7) Обслуживание бортового программного обеспечения.
8) Обслуживание симуляторов.
9) Обслуживание баз данных наземного сегмента.
10) Трендовый анализ состояния космического сегмента.
Рисунок 1.6 - Эксплуатационные элементы спутниковой системы
2 Проектирование беспроводных систем связи
Если прокладка проводных линий связи затруднена технически и финансово, то используют беспроводных технологии. Сложность проектирование современных беспроводные систем радиосвязи связано с отсутствием конкретных нормативных руководящих документов отрасли.
Специфика проектирования спутниковых систем.
Рисунок 2.1 - Сегменты спутниковой миссии
Сегменты спутниковой миссии.
Программный сегмент: определение цели и пользователей, определение задач, ограничивающие факторы, технологический план, временной план, определение стоимости проекта.
Стартовый сегмент: определение критериев запуска, выбор носителя, выбор стартовой площадки, подготовка к старту.
Космический сегмент:спутниковая платформа и полезная нагрузка, группировка, вид коммуникации.
Наземный сегмент: наземные станции, центр управления полетом, центр раскодировки, хранения и распространения информации, аналитический центр.
Этапы развития спутниковой миссии:
1) Формулировка мотивации и основной идеи миссии.
2) Определение и постановка её целей.
3) Определение пользователей и/или потребителей результатов миссии.
4) Обозначение ограничивающих условий.
5) Утверждение требований (TopLevel) предъявляемых к:
- функциональности и обслуживанию системы;
- орбитальным параметрам;
- полезной нагрузке;
- спутниковой платформе;
- коммуникационной системе;
- наземному сегменту;
- стартовому сегменту, системному подходу.
Рисунок 2.2 - Элементы наземного сегмента
Эксплуатация спутниковой системы:
- управление космическим аппаратом или группой аппаратов (телекоманды);
- наблюдение и контроль работы бортовых систем (телеметрия);
- управление и контроль полезной нагрузки КА (целевая аппаратура научно - информационного характера);
- управление и контроль бортовыми и наземными записывающими устройствами с целью безотказного сохранения информации (TT&C + Payload);
- предотвращение и устранение аномальных состояний;
- трендовый анализ развития (деградации) космического сегмента.
Научно-техническая поддержка:
- конструкция и тестовые процедуры;
- планирование орбитальных маневров;
- анализ поведения бортовых систем;
- свойства и особенности полезной нагрузки;
- анализ баланса энергоснабжения;
- устранение аномальных режимов;
- обслуживание бортового программного обеспечения;
- обслуживание симуляторов;
- обслуживание баз данных наземного сегмента;
- трендовый анализ состояния космического сегмента.
Эксплуатационные фазы:
- подготовительная фаза;
- запуск на орбиту (LEOP);
- фаза ввода в эксплуатацию;
- фаза эксплуатации.
Подготовительная фаза:
- разработка концепта эксплуатации КА в целом и целевой аппаратуры;
- разработка системы планирования миссии;
- разработка базы данных телеметрии и телекоманд;
- разработка MMI (GUI) для TC- и TM-Систем;
- разработка и тест системы обработки и граф.отображения телеметрии;
- разработка плановых эксплуатационных процедур;
- разработка процедур для устранения возможных экстренных случаев;
- разработка документации (Flight Operation Manual);
- конфигурация центра управления полётом;
- определение сети наземных станций;
- создание и тест системы обмена данных (коммуникационная линия);
- подготовка операторов и др. персонала, симуляция эксплуатационного периода с помощью симуляционных программ и отработка команд на инженерной модели;
- основной предэксплуатационный тест.
Запуск и на орбиту (LEOP):
- локализация и установление контакта со спутником;
- приём, наблюдение и анализ за данными телеметрии;
- проверка рабочей конфигурации;
- отправление команд, активизация модулей и рабочих режимов;
- тест работоспособности отдельных бортовых систем.
Фаза ввода в эксплуатацию:
- введение в эксплуатационный режим всех бортовых систем;
- тест взаимозаменяемости дублированных бортовых систем;
- введение в эксплуатационный режим и тест целевой аппаратуры;
- настройка (калибрация) целевой аппаратуры.
Фаза эксплуатации:
- эксплуатационный режим;
- планирование эксплуатационных процедур и сценариев для наземного и космического сегмента;
- контроль за состоянием КА в зоне радиовидимости (Housekeepings, ACS, Timeline);
- составление и загрузка на борт списков команд и процедур;
- анализ полученных данных телеметрии, Trendanalyse;
- сервисное обслуживание бортового ПО;
- предотвращение и устранение аномалий.
Критические точки (ECSS-E-ST-70C):
1) Определение общих концепций миссий на уровне космической системы с учетом наземного сегмента и операций.
2) Космический корабль работоспособность и ремонтопригодность.
3) Адекватность входов поставляемых заказчиком операций (OC) к командам операций миссии.
4) Полная проверка «Конец-в-конец» космической системы.
5) Повторное использование, в максимально возможной степени, космического сегмента операций знаний и данных (например, процедуры телеметрии и телеуправления) между дизайном космического сегмента, космического сегмента AIT и полетных операций.
6) Общность между процессами и службами наземного сегмента, а также между космическим сегментом AIT и миссией операций.
7) Охрана и безопасность.
8) Проект земного сегмента и линии связи космос-земля, их стоимость.
Практика для управления полетом:
- регулярно сбор и анализ показателей для выявления проблемных областей;
- разработать способ реализации решения в процессе операции;
- запись одновременно важна для исторических целей и документирования решения;
- проверка космического корабля и инструментов, как они будут работать и как они были протестированы;
- использование потенциала для экономии от использования общих систем для операций полета и для интеграции и тестирования.
Вероятные ошибки проекта
Планирование и график / расписание
- источник этой ошибки, как правило, человек (планировщик миссии), но также может быть результатом неправильных правил миссии (требований), в структуре эксперимента, или использование ошибочных данных, таких как устаревший эфемерид.
Ошибки команд: сценарий / последовательность:
- источник этих ошибок также обычно человек. Они особенно вероятны, если метод используется для преобразования сроков сценариев команд.
Инструмент или космический корабль ошибки наводки:
- источником этих ошибок являются обычно человек или программные ошибки команд / тестирования сценария расхождения между запланированной последовательностью команд, выраженных на временной шкале и фактически выполненного командного сценария;
- «Поправки» сценария к командам без полной реализации последствий изменения.
Ошибки наземной системы:
1) Аппаратные отключения.
2) Неправильно файл отправляется или не в то время.
В режиме реального времени операции ошибки / ошибки аппаратные Космического сегмента:
1) Иногда из-за контроля наземных операций персонала.
2) Часто решаются либо с помощью обходных путей или путем корректировки к бортовой системе или конфигурации.
3) Ошибки программного обеспечения (наземных и летных).
4) Ошибки линии связи.
Цели проектирования коммуникационной системы:
- реализация радиопередачи между частотным радиомодулем;
- разработка кода;
- реализация единых протоколов;
Рисунок 2.3 – Блок схема радиосвязи
Внешние источники прерываний: обнаружение несущей, RX данных, TX данных. Внутренние источники прерываний: таймер и т.д.
Рисунок 2.4 - Процессы передачи
Внешние источники прерываний:
- обнаружение несущей;
- RX данных;
- TX данных.
Внутренние источники прерываний: таймер и т.д.
Рисунок 2.4 - Управление прерываниями
INT прерывает главный цикл (на холостом ходу).
Выполнить Sub Routine.
Вернуться к основному циклу.
Проблема: два действия не могут быть обработаны в то же время.
Управление прерываниями: если несколько прерываний происходят в одно и то же время, возможны различные процедуры: полный дуплекс (DX) или полудуплекс Half-Duplex (HX).
Рисунок 2.5 – Полудуплекс
Точка-точка связи: общение в обоих направлениях; не одновременно, только в одном направлении; пример: рация, отправить или получить.
Точка-точка связи: связь одновременно в обоих направлениях.
Методы: ТDM Duplex, FDM Duplex. Пример: телефонная сеть.
Рисунок 2.7 - Полный дуплекс Full-Duplex
Приоритеты / Буферизация:
Связать приоритеты прерываний. Прерывания с более высоким приоритетом выполняются в первую очередь.
Приоритет SUB_2> Приоритет SUB_1
Буферизация необходима для прерывания с более низким приоритетом.
Аппаратные средства /Программного обеспечения.
Аппаратные средства:
- микроконтроллер: AVR Development Board 7.0 by BitWizard;
- 8 Bit μC and max. 20 MHz тактовая частота(clock rate);
- интерфейсы: USB, 20-контактный I / O разъем для модема, устройство программирования;
- радиоустройство: BK77B5 приемопередатчикданных(Data Transceiver);
- приемопередатчик голос / данные с встроенным модемом;
- рrogrammer: AVRISP mkII;
- программы EEPROM и FLASH:
- программного обеспечения(Software);
- компилятор(Compiler): Bascom AVR/GCC Compiler;
- основные компилятор / С со многими подготовленными функциями;
- программирование: Atmel Studio 6.1:;
- редактор (editor), отладчик (debugger), C / C ++ и программирование устройств;
- терминал: TeraTerm;
- терминал - эмулятор для общения между μC и PC.
Рисунок 2.6 - Связь приоритетов прерываний
Соединения и порты.
Рисунок 2.7 - Разводка выводов ATmega328 Pinout Atmega328
Рисунок 2.8 – Распределение портов микроконтроллера
Отношение сигнал/шум.
Eb/No= C/N + 10Log (Symbol Rate /Bit Rate)
Eb- энергия одного бита
Bit Rate>= Symbol Rate
Eb/No<= C/N
Если C/N=14,49 дБ, то:
- при BPSK модуляции (1бит/ символ) Eb/No≈ C/N=14,49 дБ;
- при QPSK модуляции (2бит/ символ) Eb/No≈ C/N- 3 дБ =11,49 дБ;
- при 8PSK модуляции (3бит/ символ) Eb/No≈ C/N- 5 дБ =9,49 дБ.
Путем комбинирования параметров и факторов влияния на несущий сигнал можно достичь оптимизации количества информации относительно спектральной характеристики сигнала.
Эффективное использование выделенной широты полосы сигнала при частотной модуляции.
Рисунок 2.10 - Разновидности модуляции FSK
Модуляция GMSK приобрела широкое распространение благодаря сочетанию высокой спектральной эффективности сигналов GMSK и низким уровнем внеполосного излучения. Но нужно учесть, что перед тем как цифровой сигнал может быть модулирован данным образом, он должен соответствовать определенным критериям. В связи с чем многие виды сигналов должны пройти предварительную обработку- скремблинг.
МСК - Минимальная манипуляция:
- частотная манипуляция с непрерывной фазой;
- ФСК - PSK;
- высокая эффективность использования спектра;
- сигнал постоянный модуль (конверт);
- менее нелинейное искажение;
- индекс модуляции = 0,5.
GMSK - гауссовская минимальная манипуляция:
- использует Гаусса фильтр нижних частот;
- цифровая связь;
- сгладить крутые фланги; высокие частые части исчезают;
- меньше пропускной способности;
- высокая эффективность использования спектра;
- высокий уровень мощности, чем QPSK.
Путем комбинирования параметров и факторов влияния на несущий сигнал можно достичь оптимизации количества информации относительно спектральной характеристики сигнала.
Эффективное использование выделенной широты полосы сигнала при частотной модуляции.
Синхронизация.
Побитовая синхронизация: данные передаются в виде синхронизированного сигнала с определенной периодичностью согласно тактовой частоты.
Побайтовая синхронизация:
1) После побитовой синхронизации считываются биты по одному и записываются в 16-ти битный регистр (иногда 32-х битный).
2) После каждого такта считанные данные сравниваются с известным 16-ти или 32-х битовым шаблоном (кодовое слово).
3) Если выявлено несовпадение, то биты в регистре сдвигаются н одну позицию влево.
4) Этот процесс повторяется до того момента, пока не достигается полное соответствие считанных битов с образцом или пока не будут считано максимально допустимое количество бит (Time Out).
Рисунок 2.11 - Пример кода для побайтовой синхронизации
Рисунок 2.12 – Пример создания протокола передачи данных
| Sync: | Набор символов |
| Code Word: | Обозначение начала сообщения (синхронизация) |
| Legth: | Длина сообщения |
| CW: | Вспомогательная информация |
| Data: | Данные |
| CRC: | Алгоритм проверки правильности информации |
| End: | Произвольная информация, не подлежащая обработке |
Таблица 2.1 - Генеральный план протокола
| Synchronization Синхронизация | Frame Head Заголовок кадра | Service Обслуживание | Error Detection and Correction Детекция и коррекция ошибок | End Конец |
| - гармонические волны (синусоидальный сигнал) используются для синхронизации; - обеспечивают правильный прием данных; - длина 20-50 бит. | -предустановленное кодовое слово рецептор; - рассматривает данные для кодового слова; - кодовое слово указывает на начало фактической передачи. | -блок данных; - примеры: телеметрия телекоманда полезная нагрузка данных; - как правило отличающийсяпо собственному протоколу, определяется продолжением данных. | - проверка правильности передаваемых данных; - избыточность для цели передачи. | -указывает конец передачи. |
Проверка правильности полученных данных- можно использовать различные методы:
- повторение кода;
- биты четности;
- контрольные суммы;
- циклические избыточные коды (Cyclic Redundancy Checks СRC).
Повторение должно обеспечить полную и правильную передачу. Из шумов или других причин передачи не может быть правильным.
Пример: повторение кода: датчик повторяет конкретный бита 3 раза
X = 101001 Y = 111000111000000111
обнаружение ошибок
Бит четности
Простейшая форма обнаружения ошибок
Пример: нечетность Один байт с 7 бит данных и 1 бит четности
X = 00100011
Контрольные суммы(CRC) сгенерированы от передаваемых данных. Различные реализации:
- модульная сумма;
- позиция зависит от контрольных сумм;
- соотношение байт или контроля по четности;
- может изменить свое значение даже для небольших изменений данных;
- большое количество инструментов, доступных для генерации контрольных сумм;
- криптографические хэш-функции;
- могут также использоваться для обеспечения безопасности;
- пароли часто передаются как хэш-код;
- могут также использоваться для идентификации данных и / или найти копии;
- поиск хэш-код сходства.
Рисунок 2.13 - Примеры входных и выходных криптографических хэш-функций циклического избыточного кода (CRC)
Короткие и избыточные значения проверки добавляются к данным.
Рисунок 2.14 - Примеры для полиномиальных последовательностей для передачи и после приема
3 Проектирование волоконно-оптических систем связи
Проектирование сетей GPON.
Развитие сети Интернет, в том числе появление новых услуг связи, способствует росту потоков данных, передаваемых по сети и заставляет операторов искать пути увеличения пропускной способности сетей широкополосного доступа. При выборе решения необходимо учитывать:
- разнообразие потребностей абонентов;
- конкурентную ситуацию на рынке;
- технический потенциал развития сети;
- экономику долговременных вложений.
Наибольший потенциал для сетей широкополосного доступа сегодня имеют волоконно-оптические технологии под общим термином FTTx (Fiber To Thex - оптика до точки x), где под x подразумевают разную степень приближения оптического волокна к абоненту (сокращая длину меди):
- FTTN – Fiber To The Node, волокно до узла в 1 км от абонента;
- FTTC – Fiber To The Curb, волокно до шкафа в 500 м от абонента;
- FTTB – Fiber To The Building, волокно до здания в 100 м от абонента;
- FTTH – Fiber To The Home, волокно в квартиру/офис абонента.
Использование оптического волокна на сети абонентского доступа стало возможным благодаря развитию технологий пассивных оптических сетей (PON - Passive Optical Network):
- GPON – продолжение технологий APON/BPON, соответствует стандарту ITU-T G.984;
- GEPON – продолжение технологии EPON, соответствует стандарту IEEE 802.3ah.
Перспективы дальнейшего развития сетей широкополосного доступа сегодня во многом определяются грамотным подходом при стратегическом планировании последующего внедрения PON.
Основные преимущества технологии PON:
- отсутствие промежуточных активных узлов;
- экономия оптических приемопередатчиков на центральном узле;
- экономия оптических волокон;
- легкость подключения новых абонентов и удобство обслуживания.
Применение технологий PON для построения широкополосных сетей абонентского доступа в крупных городах СФО является наиболее приемлемым решением с учетом плотности городских жилых застроек, разновидности и типов домов, состояния инфраструктуры технической эксплуатации, линейно-кабельных сооружений (кабельной канализации).
Применение GPON наиболее полно соответствует современным требованиям к полосе пропускания и необходимой эффективности её наращивания с учетом настоящих и будущих потребностей абонентов.
Рисунок 3.1 – Структура сети FTTx
В качестве базовой телекоммуникационной технологии для построения сетей FTTx ОАО «Казахтелеком» рекомендована к применению технология GPON. Технология обеспечивает полосу пропускания 2.5 Гбит/сна группу из 64 абонентов по одному магистральному волокну в радиусе до 10 км от АТС, используя специальные пассивные разветвители мощности оптического сигнала (сплиттеры).
Проектирование волоконно-оптической сети GPON осуществляется н основе технического решения. Порядок, состав и объем проектной документации должен соответствовать нормативным документам на строительство (СНиП РК 1.02-01-2007)[36].
При проектировании сети учитываются плотность распределения абонентов, перспективность жилых и административных кварталов на период не менее 3 лет, оптимальность привязки к сетевым узлам и существующим трассам кабельной канализации (или ВЛС), количество резервных волокон в магистральном и распределительном ВОК, подключения объектов госорганов (образования, здравоохранения) и объектов бизнеса.
Исходные данные для проектирования оптической сети:
1) Данные по районам или адресный список жилых домов для проникновения оптических сетей доступа, согласования с владельцами домов.
2) Процент охвата абонентов сетью доступа в жилых домах. Необходимость охвата офисов, ведомственных предприятий, расположенных в жилых и отдельных зданиях.
3) Данные по оптическому бюджету затухания.
4) Выбор схемы включения разветвителей (одноуровневая или каскадная), общего коэффициента ветвления разветвителей, выбор конкретных типов разветвителей и места их установки.
5) Выбор конкретных производителей — поставщиков активного оборудования и пассивных устройств и компонентов.
Основные элементы (изделия) и компоненты оптической сети.
К основным элементам (изделиям) и компонентам оптической сети относятся:
- оптические кабели магистральной, распределительной сети и абонентской проводки;
- оптические соединители;
- оптические разветвители (сплиттеры);
- оптические муфты для сети;
- оптический кросс (ODF);
- оптические распределительные шкафы (ОРШ);
- оптические распределительные коробки (ОРК);
- оптические абонентские розетки (ОРА);
- волоконно-оптический кабель.
Волокна всех кабелей для сети PON должны быть одномодовыми по Рек. G.652D- с низким водяным пиком (расширенным диапазоном длин волн). Обычно, это волокно производства «Corning».
Одномодовое волокно по Рек. G.652D поддерживает большую пропускную способность для сети доступа в диапазоне 1270…1610 нм с интервалом 20 нм и технологию CWDM (грубое спектральное мультиплексирование), используемую в оптической сети.
Для передачи информации в сети GPON используется технология WDM (Wave length Division Multiplexing), когда сигналы к абоненту и от абонента передаются на разных длинах волн (1490 нм и 1310 нм соответственно).
Рисунок 3.2 – Общая структура работы PON-сети
Для каждой длины волны используется временное разделение каналов.
Рисунок 3.3 – Передача информации по направлению к абоненту
Рисунок 3.4 – Передача информации по направлению от абонента
Стандарт GPON (Gigabit PON) использует транспортный протокол GFP (Generic Framing Protocol). Рекомендации ITU-T G.984.x.
Нисходящий поток с длиной волны 1490 нм со скоростью 2,4 Гбит/с. Восходящий поток данных на длине волны 1310 нм со скоростью потока 1,2 Гбит/с. В каждом направлении абонентам выделяется равная гарантированная полоса пропускания. Общая среда передачи приводит к необходимости защиты личных данных абонентов. Для шифрования используется стандарт AES - Advance Encryption Standard.
Станционный участок сети GPON.
OLT (оптический линейный терминал) - активное станционное оборудование устанавливается на центральном сетевом узле или в помещении АТС.
OLT связывает оконечное оборудование абонентов с сетью Передачи данных для предоставления услуг Triple Play (голос, доступ к сети Интернет и телевидение).
Линейные порты оборудования OLT подключаются к оптическому кроссу высокой плотности ODF с помощью оптических шнуров - пачкордов или мультипачкордов. В соответствии с рекомендациями фирм производителей длина оптических шнуров рассчитывается исходя из протяженности трассы от «0» точки ODF до «0» точки OLT плюс длина выкладки оптических шнуров (функциональный запас патчкордов) по ODF и по OLT от «0» точек составляет 5 метров («0» - точка место ввода оптических шнуров в штатив оборудования) (рисунки 3.5 и 3.6)
Рисунок 3.5 – Соединение оптического кросса
Рисунок 3.6- Варианты ввода линейного ОК
При вводе кабелей со стороны шахты следует учитывать конструктивные особенности кроссового оборудования различных производителей. В случае емкости станционного модуля кросса 12 портов следует выбирать станционный кабель с емкостью модулей равной 12 или 4 ОВ, в случае емкости станционного модуля 16 портов емкость модулей станционного кабеля должна составлять 4, 8 или 16 ОВ.
Оптический кросс ODF предназначен для распределения ВОК по направлениям. Соединения ВОК с оптическими портами ODF, производятся через сплайс - пластины (кассеты и боксы для сварных соединений). Соединение OLT c ОВ магистрального кабеля производится подключением пачкорда от OLT непосредственно в оптическую розетку ОВ магистрального кабеля.
Конструкция оптического кросса должна предусматривать возможность производить измерения на ВОК.
Оптические кроссы должны размещаться в помещениях, смежных или расположенных в небольшом удалении от шахт (перчаточных), в которых должен осуществляться переход через станционные муфты, на станционные кабели, вводимые в оптический кросс. Ёмкость и количество подаваемых из шахты в кросс станционных кабелей должны определяться проектом, количество ОВ в модулях кабелей должна соответствовать емкости модулей ODF.
Не допускается совмещённое размещение активного оборудования в едином каркасе кроссового оборудования.
Оптический кросс ODF располагается в выделенном помещении в гермозоне или как исключение, при соответствующем обосновании в проекте, может располагаться в том же помещении, где размещается стойка с OLT.
Оптический кросс ODF должен быть выполнен в модульном исполнении с возможностью наращивания емкости кросса путём добавления модулей, при росте абонентской базы.
В техническую часть проекта (документация) и в рабочие чертежи должны входить планы размещения:
- основного активного оборудования;
- кроссового оборудования (ODF);
- конструкций основных и дополнительных каналов (желобов) в кроссе и гермозоне;
- каркасных рядов кроссового оборудования с их фасадами.
При проектировании и монтаже оборудования в помещениях СО необходимо руководствоваться требованиями, предъявляемыми к технологическим помещениям кроссов изложенных в [36].
Распайка линейных кабелей в модулях сращивания и коммутации (сплайс панелях) производится согласно представленному порядку цветового кодирования оптических волокон.
В случае, если количество волокон превышает 12, то используются те же цвета и в той же последовательности с нанесением дополнительных контрастных сплошных или штриховых кольцевых полос.
Эти требования по порядку распайки ОВ распространяются на все оконечные устройства ОРШ, ОРКСп.
Рисунок 3.7 – Структура оптической пассивной сети PON
Линейный участок сети GPON.
Линейный участок определяет общую топологию GPON. На сети GPON от сетевого узла до оптического распределительного шкафа (ОРШ) или оптической муфты со сплиттерами производится магистральное распределение волокон [36].
На распределительной сети GPON от ОРШ или оптической муфты со сплиттерами до оконечных устройств абонентов (ONT, ONU) соединение осуществляется через оптические разветвители (сплиттеры), которые устанавливаются в оптических распределительных шкафах (ОРШ), магистральных муфтах и в оптических распределительных коробках (ОРКСп).
Количество уровней каскадирования сети зависит от суммарного вносимого затухания сплиттеров, коэффициента ветвления GPON интерфейсов OLT. Рекомендуется применять оптические разветвители с суммарным коэффициентом ветвления 1:32, с учетом требований к полосе пропускания для каждого абонента. Необходимо учитывать, что минимальное количество уровней каскадирования сплиттеров, упрощает сеть абонентского доступа и, соответственно, увеличивает возможность быстрого устранения неисправностей, повышает качество связи за счет исключения возможных переходных искажений на многоступенчатой передаче сигналов.
Для организации сети GPON принята двух каскадная схема включения сплиттеров с суммарным коэффициентом ветвления 1:32. Процент проникновения абонентской емкостью сети GPON в многоэтажной застройке областных центров и крупных городах необходимо принять от общего количества квартир:
- в новостройках – 100%;
- в существующих многоэтажных домах на 1 этапе развития до 30%.
На первом каскаде включаются сплиттеры с коэффициентом ветвления 1:4. Сплиттеры первого каскада устанавливаются в ОРШ или в ОМСп. Задействование выходных портов сплиттера первого каскада должно быть 100%.
На втором каскаде включаются сплиттеры с коэффициентом ветвления 1:8. Сплиттеры второго каскада устанавливаются ОРКСп или ОРКСпн. Результирующий коэффициент ветвления составляет 1:32. Допускается установка сплиттеров с иными коэффициентами ветвления при соответствующем обосновании в проекте.
Схема включения сплиттеров с коэффициентами ветвления 1:4 и 1:8 показана на рисунке 3.8.
Рисунок 3.8 – Схема включения сплиттеров с коэффициентами ветвления на 1 этапе 1:4 и 1:8
4 Предпроектные работы при проектировании пассивной оптической сети
4.1 Перечень исходных данных и материалов, предоставляемых заказчиком до начала изысканий, приведен в [36].
4.2 Предпроектные работы включают в себя следующее:
- изыскания на местности;
- работы по выбору мест установки основных элементов и конфигурированию сети.
4.3 Изыскания на местности предусматривают:
а) уточнение характеристик дома:
- номер дома;
- этажность;
- количество подъездов и стороны входа в подъезды;
- количество квартир и служебных помещений;
- уточнение распределения квартир по подъездам и этажам. Разработка эскизов этажных и межэтажных планов (с промерами), фотосъемка;
- определение количества существующих стояков в одном подъезде.
П р и м е ч а н и я
1 По возможности, обследование существующего состояния слаботочных ниш и занятости труб в нишах и стояках (фотосъемка).
2 Определение варианта решения по вертикальной прокладке:
- в существующих трубах ниш;
- с применением новых закладных пластиковых труб;
- определение места установки ОРКСп;
- уточнение способа и возможности ввода в дом.
4.4 Определение необходимости строительства кабельной канализации для ввода в дом.
4.5 Данные, собранные в процессе изысканий, систематизируются и вносятся в форму протокола обследования жилого дома в соответствии с [36].
4.6 Работы по выбору мест установки основных элементов и конфигурирования сети заключаются:
- в выборе мест установки ОРШ, оптических муфт со сплиттерами, ОРКСп;
