Тестирование и диагностика в инфокоммуникационных системах и сетях

101

сетей электросвязи для измерения реальных характеристик закупаемого оборудования и для имитации различных вариантов его использования.

Для проведения комплексных измерений параметров радиочастотных систем передачи используются специализированные измерительные системы и анализаторы спектра. Харак-

теристики анализаторов спектра представлены в табл. 2.2.

Характеристики систем для измерения параметров радиочастотных систем передачи представлены в табл. 2.5.

ГЛАВА 3. ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ

В настоящее время можно выделить несколько характерных черт в состоянии рынка телекоммуникаций:

Во-первых, скорость смены технологий настолько высока, что не позволяет большей части «связистского» сообщества осознать все ее нюансы в полной мере.

Действительно, понимание специалистами современных технологий телекоммуникаций значительно отстает от развития самих технологий. Отставание проявляется в отсутствии учебно-справочных материалов, малом количестве профессионалов в технологии, пока невысоким уровнем статей в научно-технической прессе. Это явление характерно не только для нашей страны, оно наблюдается даже в странах с высоко развитыми телекоммуникациями. Временные рамки существования и смены технологий на рынке все время уменьшаются, в результате нельзя рассматривать методологию измерений как стационарный процесс, необходимо включать фактор времени.

Во-вторых, развитие измерительной техники идет по пути высокой специализации последней, поэтому на рынке начала появляться специализированная техника для обслуживания и эксплуатации только систем связи. Рынок специальной измерительной техники меняется очень динамично, т.е. возникает задача ее классификации, решить которую без технологического подхода невозможно.

В-третьих, в последнее время более половины средств мирового телекоммуникационного рынка отводится на развитие программных средств. Программное обеспечение в современных устройствах телекоммуникаций обновляется в среднем раз в 2

года, радикально изменяя структуру и возможности телекоммуникационных систем.

Технологичность в области измерительной техники связана с появлением и развитием целого класса измерительных приборов-анализаторов протоколов и логического взаимодействия интеллектуальных устройств. Этот класс измерительной техники не рассматривается современной метрологией. Тем не менее он имеет высокую

102

эксплуатационную значимость. Включить этот класс техники в общее рассмотрение можно,

только рассматривая вопросы по организации эксплуатационных измерений в комплексе.

Переход к рассмотрению комплексных решений требует введения понятия измерительной технологии: измерительная технология или технология измерений означает совокупность методов, подходов к организации измерений и интерпретации результатов, конкретных методик, а также измерительных средств (приборов и средств контроля) для качественного обслуживания соответствующего направления развития технологии средств связи [1].

От рассмотрения технологии телекоммуникаций перейдем к рассмотрению движущих сил и динамики технологий измерений.

Совершенствование измерительных технологий тесно связано с общей тенденцией усложнения высоких технологий, наблюдающейся во второй половине XX века. Основными тенденциями развития являются: миниатюризация, экономичность и, как следствие, услож-

нение. Это наглядно видно на примере развития современных технологий цифровой связи. С

развитием технологий увеличивается пропускная способность систем передач, снижается стоимость интеллектуальных устройств, в современные телекоммуникационные системы внедряются принципы распределенной обработки информации. В связи с этим процесс контроля и настройки работы интеллектуальных систем, каковыми в настоящее время явля-

ются сети связи, идет двумя путями – развитие систем внутренней диагностики интеллекту-

альных узлов сетей и применение современной измерительной техники.

Разработка систем самодиагностики и их отработка несколько отстают от развития самих средств связи. Поэтому использование независимых систем контроля в ряде случаев является единственно корректным решением. Роль измерительной техники на сети связи повышается с развитием новых технологий.

Измерительная техника на сетях современных телекоммуникаций - это настройка и оптимизация сетей связи, поиск неисправностей и причин конфликтов, разрешение конфликтных ситуаций. Таким образом, основной движущей силой развития измерительных технологий является усложнение современных систем связи.

Распространенное мнение о том, что цифровые системы связи лучше, надежнее и поэтому требуют меньшего обслуживания на этапе эксплуатации, неверно. Действительно,

цифровые технологии обеспечивают лучшее качество связи, имеют меньшие эксплуатационные затраты, лучший контроль за ресурсом сети. Верно и то, что хорошо отлаженная, "ухоженная" цифровая сеть не требует больших усилий на обслуживание.

Однако, "неухоженная" цифровая сеть деградирует гораздо быстрее аналоговой и на восстановление ее затрачиваются большие средства. Это – объективная плата за сложность технологии цифровой передачи. Цифровые телекоммуникации имеют так называемый

103

"пороговый эффект деградации", когда при достижении определенного порога параметры качества меняются скачкообразно. В этом случае довольно сложно сразу выделить причину нарушения связи, поскольку причиной являются накопленные в течении длительного времени отклонения от нормы нескольких параметров.

До сих пор измерительная техника служила для контроля работы сети и соответствия ее узлов отечественным стандартам. Имелись четкие рекомендации по методологии измерений на сетях связи. В современной ситуации процесс стандартизации технологии значительно отстает от развития самих технологий. Четких рекомендаций по использованию измерительной техники и эксплуатационной методологии нет и в ближайшем будущем не предвидится. Измерительная техника, применяемая современными операторами, используется не только для проверки на соответствие стандартам (в первую очередь международным), но и для изучения процессов, протекающих в сети. Это позволяет операторам быстро осваивать новые технологии на международном уровне, что является необходимым условием успешной работы.

С развитием цифровых сетей связи происходит специализация современной изме-

рительной техники. Еще 15-20 лет назад для обслуживания аналоговых сетей связи приме-

нялась общеизмерительная техника (генераторы, осциллографы, частотомеры и т д.) или ее модификации. Развитие цифровых систем передачи и коммутации привело к тому, что изме-

рительную технику для телекоммуникаций в большинстве случаев уже невозможно исполь-

зовать в других областях человеческой деятельности . Современные измерительные приборы для телекоммуникаций, такие как анализаторы протоколов сигнализации, анализаторы циф-

ровых систем передачи, измерительные приборы волоконно-оптических линий связи (ВОЛС)

и т.д., составляют рынок специализированной техники, который до последнего времени не рассматривался ни в технической, ни в экономической литературе.

В настоящее время для каждой части современной системы электросвязи имеются совершенно независимые группы приборов и современная технология эксплуатационных измерений состоит из нескольких измерительных технологий, опирающихся на соответствующие группы приборов.

Как известно, в основе системы электросвязи лежит первичная сеть,

представляющая собой совокупность среды распространения, сетевых узлов и станций,

которые обеспечивают создание типовых каналов и трактов. В современной системе электросвязи существуют три среды распространения электрический кабель,

оптоволоконный кабель и радиоэфир или радиочастотный ресурс. На базе типовых каналов и трактов первичной сети создаются вторичные сети, телефонные, цифровые сети с интеграцией служб, сети на основе принципов асинхронного режима передачи, сети сотовой

104

радиосвязи и транкинга, а также сети специального назначения: для диспетчерской связи,

оперативного и технологического управления, селекторных совещаний и т.д.

Первый уровень включает измерение сред распространения сигналов:

электрического и оптического кабелей и радиоэфира. Тестирование электрических и оптоволоконных кабелей может проводиться как на этапе анализа характеристик кабеля перед прокладкой, так и на проложенном кабеле в процессе эксплуатации для определения обрывов, участков деградации качества и т.д. В настоящее время в каждой из групп кабельных измерений существует несколько измерительных технологий.

Измерения электрического кабеля включают измерения структурированных кабельных сетей (СКС), магистральных и абонентских кабелей, а также анализ характеристик кабеля, используемого для «последней мили» (xDSL). Измерения СКС непосредственно связаны с сертификацией витой пары, прокладываемой в помещениях, и

близки к измерениям в локально-вычислительных сетях (ЛВС). Измерения характеристик магистральных и абонентских кабелей – это довольно известный класс эксплуатационных измерений, подробно описанный в различных монографиях. Технология измерений кабелей xDSL появилась совсем недавно и ее вряд ли можно назвать окончательно сформировавшейся. Динамичное развитие технологии «последней мили» способствует бурному росту эксплуатационного опыта, так что измерительное оборудование этого класса чрезвычайно распространено. Также можно выделить и измерение оптических кабелей для ВОЛС.

Современная технология измерений оптических кабелей включает:

1. Анализ параметров кабелей ЛВС, который может быть с успехом отнесен к технологии измерений СКС;

2. Измерения параметров волоконно-оптических систем передачи (ВОСП);

3. Для передачи данных по оптическому кабелю с разделением по длинам волн

(WDM) требуется анализ дисперсии и спектральный анализ оптического сигнала. Для последней технологии только появляются первые эксплуатационные приборы.

Измерения электрических кабелей

Концепция измерений электрических кабелей

Электрический кабель используется на протяжении всего времени существования телекоммуникаций, технология его эксплуатации отработана в деталях, а измерительные технологии широко внедрялись на протяжении более чем ста лет. В то же время современная технология измерений электрического кабеля изложена в специальной литературе недостаточно и порой даже поиск основных требований к кабелям представляет

105

определенные затруднения. Разработка технологии эксплуатационных измерений опиралась как на общие стандартизованные принципы, так и на уникальные методики, которые в литературе описывались фрагментарно. В результате, вместо детально проработанной методологии на сегодняшний день имеется слабо систематизированный и трудный для понимания фактический материал из методик к уже устаревшим на данный момент приборам, а также предложения по их улучшению.

Технология измерений электрического кабеля постоянно изменяется,

совершенствуется в связи с развитием научно-технического прогресса и появлением новых требований к параметрам кабеля. Новые типы электрических кабелей (например, витая пара категорий 4, 5, 6 для LAN), а также новые требования к существующему абонентскому кабельному хозяйству, связанные с широким внедрением оборудования для «последней мили», значительно стимулировали развитие технологии измерений электрического кабеля в последние пять лет. Следует учесть, что многие устройства, используемые для измерений,

занимают на рынке нишу, промежуточную между приборами и инструментарием, и

выпускаются тысячами наименований и разными фирмами-производителями.

Исторически при рассмотрении вопросов организации измерений электрических кабелей исходят из следующих задач (рис. 3.1):

проверка соответствия электрических характеристик кабельных линий связи,

принимаемых в эксплуатацию, нормам;

проверка соответствия электрических характеристик действующих кабельных линий связи нормам и выявление участков линий, не удовлетворяющих нормам,

с целью предупреждения и предотвращения повреждений;

определение характера и места повреждения кабеля связи;

проверка качества произведенного ремонта.

В соответствии с этими задачами электрические измерения кабелей связи подразделяются на:

приемосдаточные;

периодические (профилактические, регламентные);

измерения, определяющие характер и место повреждения;

измерения по проверке качества ремонтных работ.

Упомянутые группы измерений актуальны для любых типов электрических кабелей вне зависимости от их использования.

106

Рис. 3.1. Концепция измерений электрических кабелей.

По типам кабелей можно предложить следующую классификацию измерений:

измерения магистральных кабелей;

измерения абонентских кабелей;

измерения витой пары (LAN);

измерения электрических кабелей в соответствии с требованиями аппаратуры

«последней мили» или xDSL.

Отдельной группой измерений являются заводские испытания кабелей (выходной контроль) и измерения, связанные с определением значения параметров кабелей (входной контроль).

Существует определенная специфика измерений электрических подземных и воздушных кабелей. Измерения кабельных линий связи несколько отличаются от аналогичных измерений на воздушных линиях связи. Неточности в определении места повреждения подземного кабеля затягивают работы по исправлению повреждения, в связи с чем расстояние до места повреждения необходимо определять значительно более точно, чем на воздушных линиях. Способы измерения воздушных и кабельных линий также отличаются друг от друга и определяются параметрами линии, например, сопротивлением изоляции.

Помимо упомянутого разделения по группам измерений и типам кабелей широкое распространение получила классификация по методикам измерений. Такая классификация выделяет группы параметров, измеряемых постоянным током, и группы параметров,

107

измеряемых переменным током. К параметрам, измеряемым постоянным током, относятся различные сопротивления (сопротивление изоляции, омическая асимметрия цепи,

электрическая прочность изоляции и т.д.). Группа параметров, измеряемых переменным током, более широкая и включает собственное затухание цепи, затухание несогласованности,

защищенность цепи на дальнем конце, емкостную связь и асимметрию, параметры волнового сопротивления и т.д. Современные приборы оснащены необходимыми средствами для измерения параметров обеих групп, поэтому такое разделение не имеет практического применения и ценности при построении концепции измерений.

Таким образом, концепция эксплуатационных измерений электрического кабеля представляет собой двухмерную измерительную концепцию, которую условно можно отобразить в виде табл. 3.1.

Таблица 3.1. Концепция измерений электрических кабелей.

Как видно из приведенной таблицы, измерения трех типов кабелей -

магистрального, абонентского и витой пары, используемой в LAN - могут выполняться в полной мере, т.е. на этапе ввода в эксплуатацию, на этапе регламентных работ, на этапе эксплуатации при возникновении неисправности и после ее устранения. Внедрение аппаратуры «последней мили» (xDSL) не потребовало замены существующего кабельного хозяйства, однако потребовало верификации его параметров, проверки состояния кабеля в соответствии с новыми требованиями, предъявляемыми технологией xDSL. С точки зрения измерительной технологии наличие аппаратуры xDSL дополняет измерительную концепцию только в части приемосдаточных испытаний, когда проверяются параметры электрического кабеля и выбирается кабель для внедрения технологии xDSL. Это не означает отмены на данном кабеле регламентных и восстановительных измерений, просто последние проводятся в соответствии с практикой эксплуатации магистрального и абонентского кабелей.

Таким образом, с учетом заводских измерений электрического кабеля измерительная концепция включает в себя 14 групп измерений. Именно эта концепция и

108

будет положена в основу описания технологии эксплуатационных измерений электрического кабеля.

Прежде, чем начать это описание, хотелось бы отметить определенную тенденцию,

имеющую место в современном развитии технологии проводной связи - это широкомас-

штабное внедрение оптического кабеля и вытеснение им электрического кабеля. В

настоящее время оптические кабели в первую очередь внедряются на магистральных линиях связи. Только в последние несколько лет в странах Европы, США и Японии прошла широкая реконструкция кабельных сетей, включающая абонентское кабельное хозяйство. При жилищном строительстве в этих странах оптический кабель прокладывается параллельно с подводом канализации и электрической сети. На уровне абонентского хозяйства началась замена электрического кабеля на оптический. На отечественных линиях прокладка оптического кабеля пока не выходит за рамки магистральных сетей, где технология xDSL

внедряется для создания цифровых систем передачи уровня Е1 и Е2 взамен морально устаревших аналоговых систем передачи. В технологии измерений происходит переориентация на задачи тестирования абонентских кабелей и параметров кабельных систем для внедрения xDSL.

Это не значит, что измерения на магистральных электрических кабелях теряют свое значение, они остаются актуальными особенно для России. Однако переориентация особенно заметна при анализе зарубежного рынка измерительной техники, с которого постепенно уходят измерительные приборы для магистральных кабелей. Вместе с тем измерительная техника для анализа структурированных абонентских кабельных сетей переживает второе рождение и развивается в последнее время очень динамично.

Измерения магистральных кабелей

Измерения магистральных кабелей разделяются по этапам прокладки

магистральных кабелей:

приемосдаточные испытания,

регламентные измерения;

измерения, связанные с локализацией неисправности,

измерения, связанные с проверкой параметров кабеля после его восстановления.

Прокладка магистрального электрического кабеля.

Перед прокладкой кабеля часто оказывается целесообразной проверка соответствия его характеристик заданным. Такие измерения сводятся к анализу характеристик кабеля в бухтах. Обычно эти измерения проводятся на заводе-производителе в рамках системы

109

контроля качества, но могут также проводиться и операторами сетей связи для проверки заданных технических характеристик.

В настоящее время актуальной задачей производственных измерений становится не только организация систем контроля качества, но и создание центров входного контроля кабельной продукции на предприятиях. Основной движущей силой этого процесса выступает конкуренция и необходимость контроля качества.

Компании-производители кабельной продукции анализируют параметры качества кабеля средствами выходного контроля. Следующим шагом является входной контроль компаниями, непосредственно занимающимися прокладкой кабелей. Такая практика еще мало практикуется, однако развитие измерительной технологии приведет к росту интереса к системным измерениям кабелей.

Анализ кабеля в бухтах относится к разряду стандартной задачи анализа параметров четырехполюсников и решается при помощи анализаторов цепей (Network Analyzers). Эти приборы содержат генератор и анализатор спектра, синхронизированные друг с другом.

Различают скалярные и векторные анализаторы цепей. Векторные анализаторы цепей обеспечивают анализ амплитуды и фазы принимаемого сигнала и могут использоваться для анализа не только АЧХ кабеля, но и комплексного импеданса и погонной емкости кабеля.

При измерениях кабеля в бухтах анализируют:

погонное сопротивление и импеданс кабеля;

сопротивление изоляции;

зависимость затухания в кабеле от частоты;

параметры отражения сигнала (уровень возвратных потерь, коэффициент отра-

жения и т.д.).

Анализ погонного сопротивления и импеданса кабеля, а также зависимости затуха-

ния в кабеле от частоты выполняется анализаторами цепей общего применения. Для анализа сопротивления изоляции используют специализированные приборы – анализаторы со-

противления изоляции, работающие по принципу анализаторов цепей, но с учетом специ-

фики измерений: анализатор цепей подает в цепь изоляции высокое напряжение, затем измеряется ток утечки. Генератор должен быть в этом случае мощным, а анализатор – высокочувствительным.

Приемосдаточные и регламентные измерения магистральных кабелей

Эти две группы измерений наиболее полно освещены в отечественных стандартах, а

также многочисленных справочниках по эксплуатации магистральных кабелей. Для каждого из типов используемых в отечественной практике магистральных кабелей в данных стандар-

110

тах указан перечень измеряемых параметров, предельные нормы на них, а также рекомендо-

ванный график регламентных работ и их состав.

Обычно измерения кабелей на этапе пуска-наладки включают:

анализ затухания на составном кабеле, на его участках и в соединительных муфтах на частоте, равной половине от несущей (например, затухание в кабелях для системы передачи Е1 (2048 кбит/с) измеряется на частоте 1024 кГц и т.д.);

измерение омического сопротивления кабеля;

измерение переходного затухания;

измерение емкости кабеля;

измерение сопротивления изоляции;

после подключения к системе передачи - измерение тока и напряжения от системы передачи;

измерение шума;

анализ влияния силовых кабелей.

Обнаружение и устранение неисправностей

К наиболее часто встречающимся в процессе эксплуатации неисправностям можно

отнести:

обрыв кабеля целиком, отдельной пары или отдельной жилы;

короткое замыкание;

замокание кабеля, нарушение его изоляции.

Для устранения перечисленных неисправностей требуется локализация точки их возникновения. Выше упоминалось, что магистральные кабели могут быть как воздушные,

так и подземные. Обнаружение точки возникновения неисправности, таким образом,

представляется довольно трудной задачей.

Существует несколько принципиально разных методов для обнаружения точек возникновения неисправностей:

метод прямого наблюдения;

рефлектометрические методы;

мостовые методы.

Все перечисленные методы могут эффективно применяться не только для обнаружения точек неисправности магистральных кабелей, но и для аналогичных измерений абонентских кабелей.

Измерения, связанные с восстановлением кабеля