Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Обеспечение показателей надежности сетей доступа на этапах жизненного цикла. Монография
.pdf
− историческое снижение цен на электронные устройства недостаточно
Project
Reach (Km)
#
DS/US (Gb/s)
# ONTs
PLANET
100
1
2.5 / 0.311
2.048
Super-PON
135
40
2.5 / 1.25
2.560
Hybrid PON
100
17
10 / 10
17*256 = 4.352
PIEMAN
100
32
10 / 10
32*512 = 16.384
SUCCESS
25
4*16
1.25 / 1.25
4*16
SARDANA
100
> 1
10 / 10
1000
быстрое.
Рисунок 2.28 – Пропускная способность, затраты и доходы
Задача сетевых операторов - увеличение спроса на услуги с более высокой
пропускной способностью (высокоскоростной интернет, HDTV, видео по тре-
бованию, телемедицина и др.).
Одним из путей снижения затрат на обеспечение роста пропускной спо-
собности является переход к сетям доступа большого радиуса действия [39],
переход к использованию которых обоснован организацией DISCUS
(DIStributed Core for unlimited bandwidth supply for all Users and Services) [24-27]
(рисунок 2.29).
В соответствии с идеологией DISCUS при переходе к сетям большого ра-
диуса действия (LR-PON) решаются три главные проблемы:
1) финансовые (большое различие между доходами и затратами на обеспе-
чение пропускной способности);
2) экологические (высокий рост потребления электроэнергии телекомму-
никационными сетями);
3) социальные (проблемы «цифрового неравенства»):
− обеспечение жителей, проживающих в районах с малой и большой плот-
ностью населения, одинаковыми услугами;
− с минимальными субсидиями со стороны государства.
В таблице 2.7 представлены проекты LR-PON, описание которых можно
найти в [39].
Таблица 2.7 - Проекты LR-PON
61
Рисунок 2.29 – Логическая архитектура DISCUS
Увеличение расстояния OLT-ONU приводит к тому, что растет:
− ослабление сигнала;
− шумы в LR-PON;
− дисперсия (вследствие увеличения расстояний происходит рост хрома-
тической дисперсии);
− задержка передачи данных по запросу от ONU и коллизии;
− импульсивность трафика US;
− коэффициент неготовности (простоя).
Вопросам построения сетей LR-PON с учетом этих проблем посвящен ряд
работ [39, 46-49] и др., в которых показано, что развертывание оптических се-
тей доступа, удовлетворяющих требованиям пользователей и имеющих малый
период окупаемости, возможно при переходе от сетей GPON к сетям доступа
большого радиуса действия [50] (рисунок 2.30).
Рисунок 2.30 – Период окупаемости для различных технологий
62
Об этом также свидетельствует опыт эксплуатации таких сетей в Велико-
британии, Франции и других странах.
63
3 Сети доступа большого радиуса действия. Оценка показателей
П A
FI K N
В
П
НВ
Т
K
ТТ
Г Г.В Г.П
K K K
надежности с учетом методов технического обслуживания
3.1 Техническое обслуживание сетей доступа большого радиуса дей-
ствия, ориентированное на обеспечение показателей надежности
Пассивные оптические сети большого радиуса действия (Long Reach Passive Optical Networks, LP-PON) отличаются от традиционных пассивных опти-
ческих сетей доступа существенным увеличением расстояния от центрального
офиса (ЦО) до абонентского устройства (примерно в 5 раз и более) и подклю-
чением к ЦО значительно большего числа абонентов [39]. При этом растет вероятность появления отказов, и возрастает влияние этих отказов на техникоэкономические показатели, поскольку FI (Failure Impact) зависит как от коэффициента потерь, так и от числа обслуживаемых в сети доступа абонентов [51]
,
где KП – коэффициент простоя;
NА – число абонентов, подверженных влиянию одного отказа.
В линии связи, простирающейся от ЦО до абонентского устройства, вклю-
чены различные элементы – оптоволокно, различные электронные устройства.
Каждый из этих элементов характеризуется своим значением коэффициента
простоя K
. При этом коэффициент простоя оптоволокна зависит от длины
П
оптоволоконной линии и имеет наибольшее значение даже для традиционных
сетей доступа. Таким образом, значение коэффициента простоя оптоволоконной линии связи будет в основном определяться коэффициентом простоя опто-
волокна.
Коэффициент простоя определяется по формуле
тоспособности системы (элемента). Применительно к оптоволокну различают
внезапные и постепенные отказы и, соответственно, значения коэффициента
готовности применительно к внезапным отказам - K
ности применительно к постепенным отказам К
,
где Т
Т
- время восстановления после появления отказа;
В
- время наработки на отказ.
Н
Под отказом понимается событие, которое заключается в нарушении рабо-
и коэффициента готов-
Г.В
.
Г.П
Общий коэффициент готовности
.
64
Большую роль в появлении внезапных отказов вследствие обрыва кабеля,
проложенного под землей, играют работы, проводимые в месте прокладки ка-
беля. Внезапные отказы - это, как правило, явные отказы.
Причиной постепенных отказов оптоволоконной линии (ОВЛ) является ее
деградация. Сущность деградации заключается в изменении характеристик
ОВЛ, которое приводит к изменению показателя ослабления, дисперсии, веро-
ятности ошибки и др. Различают два вида деградации. Первый - вызван стрессом и называется усталостью (fatigue). Под усталостью понимается процесс по-
степенного накопления повреждений оптоволоконной линии под действием
напряжений, приводящий к изменению свойств ОВЛ, образованию трещин, их
росту и разрушению (отказам).
Различают статическую и динамическую усталость. Статическая усталость
предполагает заданное и постоянное напряжение. Деградация зависит от времени, в течение которого приложено это напряжение. Динамическая усталость
предполагает изменение параметров ОВЛ в условиях изменяющейся нагрузки.
Речь, как правило, идет об экспериментальных исследованиях оптоволокна под
нагрузкой.
Второй вид деградации возникает даже при отсутствии приложенной
нагрузки и является результатом старения ОВЛ [52]. Актуальность рассмотре-
ния данного вида деградации обусловлена тем, что в ряде районов время эксплуатации кабеля приближается или даже превышает 25 лет, что, как известно,
соответствует гарантийному сроку службы оптоволокна. Таким образом, задача
обеспечения надежности оптических сетей доступа LR-PON является актуальной задачей.
При анализе надежности оптоволоконной линии выделяют несколько ее
состояний. Это исправное состояние (ИС), рабочее состояние (РС), неработоспособное состояние (НС) и предельное состояние (ПС). Соответствующие пе-
реходы (1-5) из состояния в состояние представлены на рисунке 3.1. Характеристика этих состояний дана в ГОСТ Р 27.102-2021.
Рисунок 3.1 - Обобщенная модель состояний ОВЛ
Отметим, что в процессе эксплуатации возможны повреждения, при которых ОВЛ находится в состоянии РС, и отказы, при которых требуется замена
соответствующего участка ОВЛ (переход 4 на рисунке 3.1). После замены k
участков со временем, вследствие старения ОВЛ, происходит накопление по-
вреждений, что потребует замены ОВЛ (переход 5 на рисунке 3.1) целиком
вследствие перехода ОВЛ в предельное состояние.
65
При реализации сетей LR-PON следует использовать подходы, заложенные
в концепции обслуживание, ориентированное на обеспечение надежности (Re-
liability Centered Maintenance, RCM).
В соответствии с идеологией RCM правила обслуживания пассивных оптических сетей доступа LR-PON должны определяться не только природой и
параметрами отказа, но и, прежде всего, его возможными последствиями.
К настоящему времени созданы стандарты [53-57], ориентируясь на которые, следует разрабатывать методики по обеспечению надежности LR-PON.
Использование идеологии RCM нацелено, на эффективное обеспечение требуемых безотказности, готовности и экономичной эксплуатации. RCM - это ком-
плексная программа, направленная на обеспечение показателей надежности не
любой ценой, а на основе обеспечения приемлемых технико-экономических
показателей. При этом должны рассматриваться все стадии жизненного цикла
элементов сети доступа, начиная от производства элементов сети, ее развертывания и эксплуатации, с постоянным совершенствованием технологии эксплуа-
тации и технологии производства по итогам эксплуатации.
Переход на эффективные технологии технического обслуживания и ре-
монта (ТО и Р) является одним из основных подходов RCM, хотя и не единственным. Известно, что следование стратегии RCM предполагает [56]: иници-
ализацию и планирование, анализ функциональных отказов (отказов, влияющих на выполнение объектом функций), отбор задач, внедрение и, наконец, не-
прерывное совершенствование стратегии RCM. Не вдаваясь в подробности реализации RCM, которые изложены в статьях и монографиях [58 - 60], остановимся далее на вопросах ТО и Р.
В соответствии с [61] ТО (maintenance) - это «комплекс технических опе-
раций и организационных действий по поддержанию работоспособности или
исправности объекта при использовании по назначению, ожидании, хранении и
транспортировки». Ремонт – это «комплекс технических операций и организа-
ционных действий по восстановлению работоспособности, исправности и ре-
сурса объекта и/или его составных частей».
Вопросы ТО и ремонта пассивных оптических сетей доступа изложены в
множестве статей, например, в [62, 63], представлены в рекомендациях [64, 65].
Однако рассмотренные в них вопросы не охватывают все задачи, относящиеся
к идеологии RCM.
Согласно [29, 66] существуют три стратегии ТО и Р (рисунок 3.2).
1. Регламентированное обслуживание и ремонт (планово-
предупредительный ремонт). В статьях при описании этой стратегии ТО и Р
используются термины профилактическое обслуживание, превентивное (pre-
ventive) обслуживание.
2. Ремонт и обслуживание по техническому состоянию (Condition Based
Maintenance, CBM) или обслуживание в соответствии с прогнозом (predictive
maintenance).
3. Корректирующее обслуживание (corrective maintenance, CM) или реак-
тивное обслуживание (reactive maintenance, RM).
66
На рисунке 3.2 наглядно проиллюстрированы все три вида ТО и Р [66].
Рисунок 3.2 - Наглядное представление видов ТО и Р
В [56] виды технического обслуживания подразделяются на предупредительные и корректирующие (рисунок 3.3). Предупредительное ТО проводят до
наступления отказов (или предотказов) в зависимости от технического состояния системы (элемента, объекта) или с заранее заданной периодичностью. Пер-
вый вид ТО иногда называют апостериорным, второй априорным.
Рисунок 3.3 - Виды работ по ТО и Р
Использование того или иного вида ТО и Р определяется, прежде всего,
технико-экономическими факторами. Так, с точки зрения обеспечения заданно-
го коэффициента готовности, наилучшие значения можно обеспечить путем
использования технологии СВМ. Однако ее внедрение потребует существен-
ных затрат [66]. Технико-экономический анализ методов обеспечения надежно-
67
сти и аспекты построения пассивных оптических сетей доступа большого ради-
уса действия описаны в [67].
3.2 Учет явления деградации цепочки OLT-ONT сети доступа
В составе пассивной оптической сети доступа, кроме оптического кабеля
(ОК), имеются: оптический линейный терминал (Optical Line Terminal, OLT),
оптический сетевой терминал (Optical Network Terminal, ONT), сплиттеры, оп-
тические мультиплексоры/демультиплексоры. Однако значение коэффициента
готовности цепочки OLT-ONT будет в основном определяться интенсивностью
отказов ОК.
Вопросам исследования отказов и деградации оптического кабеля посвящено множество работ. Это статьи, опубликованные в зарубежных и отече-
ственных журналах [68-70], монографии [26, 39], диссертационные работы [71-
73] и регламентирующие документы [74, 75]. Следует отметить, что в большин-
стве случаев задача сводилась к рассмотрению отказов непосредственно оптического волокна как основной составляющей оптического кабеля, от состояния
которого зависит работоспособность оптического кабеля (ОК) в целом. Особо
следует отметить работы авторов последних лет [76, 77], которые мы рассмотрим более подробно.
Так, в [76] рассмотрен ряд традиционных показателей, характеризующих
долговечность оптических кабелей. К ним относятся гамма-процентный и
назначенный срок службы. Предложен новый критерий, который назван в работе «несоразмерный риск потери связности сети». В работе отмечается, что в
связи с тем, что основные волоконно-оптические линии были сооружены 20-25
лет назад и подходят к рубежу износа, необходимо обратить особое внимание
мониторинг остаточного срока службы ОК.
В [77] рассмотрены сценарии прогноза срока службы оптического волокна
в кабельных линиях связи. Для прогноза срока службы предлагается использо-
вать выражение, приведенное в регламентирующих документах [74, 75]. Прогноз срока службы, представленный в [74, 75], основывается, прежде всего, на
данных, полученных в процессе лабораторных испытаний оптического волокна
под нагрузкой, и зависит от нагрузки, прикладываемой к волокну в процессе
его срока службы. В работе отмечается, что «для повышения точности прогнозов срока службы ОК, введенного в эксплуатацию, необходимо учитывать всю
совокупность данных о кабеле и линии связи».
Можно привести ещё ряд публикаций [78, 79], в которых затрагиваются
вопросы, связанные с определением времени до отказа оптического волокна по
причине действия постепенных отказов.
3.2.1 Модель надежности оптоволокна в условиях его деградации
На определённом этапе жизни оптоволокна приходится считаться с постепенными или деградационными отказами. Именно деградационные отказы
68
определяют срок службы ОК. Иногда к необходимости замены ОК приводит
так называемый моральный износ - несоответствие параметров ОК современным условиям эксплуатации.
В процессе деградации ОК может находиться в состояниях, которые мож-
но охарактеризовать следующим образом.
1. Значением вероятности отказа ОК на данном временном интервале.
2. Значением оставшегося срока службы ОК, т. е. временем до достижения
им предельного состояния (ГОСТ 27.102–2021).
3. Значением ослабления сигнала [80] в цепочке OLT-ONT. При определённом значении ослабления обмен информацией в цепочке OLT-ONT станет
невозможным.
4. Стоимостью выполнения ремонтных работ. Она растёт с годами, что ра-
но или поздно приводит к необходимости замены ОК.
Выберем далее в качестве характеристики состояния деградации интен-
сивность отказов. Как отмечается в [81], именно возрастание интенсивности
отказов λ(t) с физической точки зрения является наиболее естественной харак-
теристикой деградации. Перечисленные выше варианты фиксации состояний
деградации можно в той или иной мере увязать с λ(t).
В [76] рассмотрены два подхода к оценке срока жизни ОК: на основе ана-
лиза старения оболочки кабеля и старения оптоволокна (ОВ). В данной работе
рассмотрим второй подход, основанный на прогнозе срока службы ОВ.
Разобьем время эксплуатации оптоволоконной линии на временные интервалы длительностью Т. Каждый такой интервал назовем периодом эксплуатации. Будем полагать, что значения интенсивности отказов на каждом из вре-
менных интервалов известны [82]. Найдём выражение для расчёта коэффициента неготовности за i периодов эксплуатации.
При формировании модели приняты следующие условия.
1. При эксплуатации ОВ имеют место отказы, обнаруживаемые в момент
их возникновения (явные отказы). После обнаружения отказа происходит восстановление линейного участка, на котором произошел отказ, путем его заме-
ны.
2. Время эксплуатации ОВ разбивается на периоды с одинаковой продол-
жительностью Т.
3. Каждый период характеризуется определенным состоянием деградации,
который описывается соответствующей интенсивностью отказов.
4. С увеличением номера периода эксплуатации растёт число повреждений
и, соответственно, возрастает интенсивность отказов.
5. Время восстановления (устранения отказа) на каждом периоде эксплуа-
тации является случайным, интенсивность восстановления является постоянной
и одной и той же на каждом периоде эксплуатации.
Для моделирования процессов деградации используются различные подходы и, в частности, моделирование на основе марковских или полумарковских
процессов [83, 84].
69
Так как интенсивность отказов, обусловленных деградацией, может только
i i i
увеличиваться, то процесс деградации описывают моделью чистой гибели,
представленной на рисунке 3.4. [79]
Рисунок 3.4 - Диаграмма процесса деградации
В процессе старения оптоволокно переходит из состояния S1 в S
ние Si характеризуется вероятностью отказа. В процессе перехода от Si к S
роятность отказа растет.
В состоянии Sk объект подлежит списанию, так как
. Состоя-
k
ве-
i+1
дальнейшая его эксплуатация не имеет смысла, и дешевле объект списать и за-
менить его на новый.
В процессе эксплуатации оптоволоконных сетей доступа в случае отказа
участок, на котором произошел отказ или выявлено состояние, называемое
предотказом, заменяется на новый. Такая процедура повторяется неоднократно,
вплоть до перехода ОВ в состояние S
. Оценка надежности оптоволокна в усло-
k
виях деградации предоставлена в [79].
Диаграмма состояний ОВ приведена на рисунке 3.5. На диаграмме обозначено: Di − состояние деградации на i-м периоде эксплуатации (i = 1, 2, 3, …),
λ
− интенсивность отказов на i-м периоде эксплуатации, R – восстановление
i
работоспособного состояния отказавшего участка ОК, μ − интенсивность вос-
становления (определяется временем подъезда ремонтной бригады к месту не-
исправности и временем ремонта), iТ– момент перехода из i-го периода эксплуатации в (i+1)-й период эксплуатации, отсчитываемый от начала эксплуатации
ОК.
Рисунок 3.5 - Диаграмма состояний-переходов ОВ в процессе деградации
нарный (установившийся) процесс отказов и восстановлений. В этом случае
среднее число отказов в единицу времени на i-ом периоде с учётом восстановлений вычисляется по формуле [85]:
Будем считать, что на каждом периоде эксплуатации имеет место стацио-
. (3.1)
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]