ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА СВЯЗИ

Полезная модель относится к технике связи и может быть использована для организации обмена цифровой информацией в системах автоматизированного обмена данными по волоконно-оптическим каналам, например, в бортовых объектах.
Известна кольцевая волоконно-оптическая система передачи информации (ВОСПИ), содержащая N приемопередающих станций и магистральный световод [1]. Каждая из N приемопередающих станций выполнена в виде N резонансных оптических колец, N управляющих электродов, N оптических приемопередающих блоков, приемного регистра, передающего регистра, управляющего регистра и терминала. В кольцевой ВОСПИ информация передается на нескольких оптических несущих, количество которых не менее числа терминалов в системе. Кольцевая ВОСПИ работает в двух режимах. В первом режиме станции находятся в состоянии ожидания сигналов из магистрального световода. Во втором режиме обеспечивается операция приема-передачи сигналов для обмена информацией между станциями и терминалами.
К недостаткам данной системы следует отнести низкую надежность работы резонансных оптических колец в условиях механических и климатических воздействий.
Известны методы повышения надежности оборудования за счет резервирования аппаратуры, например, в бортовой системе цифровой связи, обеспечивающей обмен данными между пилотажно-навигационными системами интегрированного комплекса бортового оборудования (ИКБО) [2]. В ИКБО обеспечивается как аппаратное, так и функциональное резервирование систем, в том числе и проводных линий связи. Каждая система имеет двойное горячее резервирование. Резервирование реализуется на основе согласованных «Протоколов информационного взаимодействия систем» в строгом соответствии с международными нормативными документами (ARINC, DO, ED, документами SITA/ARINC и другими).
К недостаткам данной системы следует отнести:
- низкая помехозащищенность проводных каналов связи от электромагнитного излучения бортовых источников мощных помех (радиостанций, ключевых источников питания, радиолокатора и других);
- отсутствие возможности наращивания функций бортовых систем из-за ограничений по пропускной способности бортовых проводных каналов связи;
- низкая скорость передачи информации по проводным каналам связи из-за особенностей их амплитудно-частотных и фазово-частотных характеристик.
Известно устройство, содержащее N станций, соединенные между собой через оптические приемопередатчики, связанные соответствующими волоконными световодами с оптическими коммутаторами, шины управления, шины адреса, блоки элементов И, блоки элементов ИЛИ, элементы И, элементы ИЛИ, дешифраторы, триггеры, инверторы, блок формирования сигнала окончания информационного обмена [3].
К недостаткам устройства следует отнести то, что в нем определяется направление, в котором расположена запрашиваемая станция и при посылке оптического сигнала в этом направлении блокируется на это время передача-прием сообщений для других станций.
Наиболее близкой к заявляемой модели является волоконно-оптическая система связи, содержащая распределительную станцию (PC), соединенную с N приемопередающими абонентскими станциями (системами) (АС) посредством волоконно-оптических линий связи [4]. Распределительная станция выполнена из N цепей по числу абонентских станций. Каждая цепь содержит анализатор сигнала запроса, оптический ответвитель, фотоприемник, коммутатор, дешифратор сигнала «Стоп», дешифратор сигнала запрос, элемент ИЛИ, одновибратор, оптический передатчик, оптический сумматор, формирователь сигнала «Аварийный сброс», оптический коммутатор. Выход соответствующей АС через соответствующую ВОЛС соединен с соответствующим входом PC. Соответствующий выход PC через соответствующую ВОЛС соединен с входом соответствующей AC. PC выполнена в виде N цепей и анализатора сигналов запроса. Каждая цепь, например первая, состоит из последовательно соединенных оптического ответвителя, фотоприемника, коммутатора. Выходы коммутатора соединены соответственно с входом дешифратора сигнала «стоп» и дешифратора сигнала «запрос». Выходы последнего соединены с канальными входами анализатора сигналов запроса, выходы которого через последовательно соединенные элемент ИЛИ, одновибратор и оптический передатчик соединены с входом оптического сумматора. Выход одновибратора через формирователь сигнала «аварийный сброс» соединен с соответствующим входом «сброс» анализатора сигналов запроса. Выход дешифратоpa
сигнала «стоп» соединен с другим входом формирователя сигнала «аварийный сброс». Выходы анализатора сигналов запроса соединены с управляющими входами оптического коммутатора. Сигнальный вход оптического коммутатора соединен с другим выходом оптического ответвителя, а выходы оптического коммутатора соединены с соответствующими входами N-1 оптических сумматоров. N-й выход элемента ИЛИ соединен с другим входом коммутатора. Выход каждого оптического сумматора является соответствующим выходом PC. Вход каждого оптического ответвителя является соответствующим входом PC. К недостаткам прототипа следует отнести:
- прототип рассчитан на работу только с N приемопередающими абонентскими станциями (системами) без обеспечения резервирования;
- снижается скорость обмена информацией из-за блокирования запросов, которые вступают в конфликт с ранее принятыми к обслуживанию запросами, обслуживание по которым не завершено. Поэтому наблюдается потеря передаваемой информации.
Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение надежности обмена данными и снижение потерь информации в процессе обмена.
Указанный технический результат достигается тем, в волоконно-оптическую систему связи, содержащую распределительную станцию (PC), N основных приемопередающих блоков и волоконно-оптические кабели (ВОК), причем распределительная станция состоит из N цепей по числу приемопередающих блоков, коммутатора, а каждая цепь содержит фотоприемник распределительной станции, дешифратор сигнала, оптический передатчик распределительной станции, введены (n-1)·N резервных приемопередающих блоков, аналогичных основному, (n-1)·N контроллеров, каждый из которых соединен двухсторонними связями с соответствующими приемопередающим блоком и оптическим приемопередатчиком, n резервных распределительных станций, (n-1)·N оптических приемопередатчиков, каждый из которых состоит из фотоприемника и оптического передатчика, соединенных соответственно с оптическим передатчиком соответствующей распределительной станции и фотоприемником соответствующей распределительной станции через два соответствующих ВОК, в каждую из N цепей введен дополнительно шифратор, вход которого подключен к одному из N выходов коммутатора, а выход - к входу соответствующего оптического передатчика распределительной
станции, а в каждую из n распределительных станций введен процессор, выход управления которого подключен к (N+1)-y управляющему входу коммутатора, а первый вход/выход - двухсторонними связями соответственно к входу/выходу коммутатора, вторые входы/выходы каждого из процессоров каждой из n распределительных станций соединены между собой двусторонними межпроцессорными связями по принципу «каждый с каждым», входы/выходы каждого из n коммутаторов соединены между собой двусторонними межкоммутаторными связями по принципу «каждый с каждым», (n-1) - число резервируемых коммутаторов, при этом выход фотоприемника соответствующей распределительной станции через дешифратор сигнала подключен к соответствующему управляющему входу коммутатора, а также к одному из N входов данных коммутатора.
На фигуре приведена структурная схема и введены обозначения:
1 - N основных приемопередающих блоков;
2 - (n-1)-N резервных приемопередающих блоков;
3 - контроллер;
4 - оптический приемопередатчик, состоящий из фотоприемника 8 и оптического передатчика 7;
5 - волоконно-оптические кабели (ВОК);
6 - одна из цепей распределительной станции 18;
7 - оптический передатчик;
8 - фотоприемник;
9 - дешифратор сигнала;
10 - шифратор;
11 - N входов данных коммутатора;
12 - коммутатор;
13 - процессор;
14 - выход управления процессора 13;
15 - первый вход/выход процессора 13;
16 - второй вход/выход процессора 13 для двусторонней межпроцессорной связи по принципу «каждый с каждым»;
17 - вход/выход коммутатора 12 для двусторонней межкоммутаторной связи по принципу «каждый с каждым».
Волоконно-оптическая система связи, называемой далее по тексту система, работает следующим образом.
Система осуществляет обмен данными между основными равнозначными n приемопередающими блоками 1 объекта, например, между информационно-управляющей подсистемой воздушного судна, и другими его вспомогательными (N-1) подсистемами, а также между всеми N блоками 1 по принципу «каждый с каждым». Все N блоков 1 объекта имеют n-кратное резервирование для повышения надежности работы при эксплуатации. Поэтому один из N блоков 1 классифицируется как основной, а остальные, как резервные.
При работоспособном состоянии всех N блоков 1 обмен данными между ними обеспечивается в следующем порядке. Информационное сообщение, сформированное в блоке 1 или 2, поступает в соответствующий контроллер 3. В контроллере 3 к информации добавляется служебная часть, например, адрес получателя сообщения, адрес источника информации и другие данные. Затем видеоимпульсы с выхода контроллера 3 в оптическом передатчике 7 оптического приемопередатчика 4 преобразуются в оптические сигналы и по ВОК 5 подаются на фотоприемник 8 одной из N цепей 6 распределительной станции 18. В фотоприемнике 8 оптические сигналы преобразуются в видеоимпульсы, которые поступают одновременно на дешифратор 9 сигнала, информационные входы 11 коммутатора 12 и процессора 13. В дешифраторе 9 сигнала в зависимости от адреса получателя сообщения формируется соответствующая команда, которая подается на один из N управляющих входов коммутатора 12. Эта команда определяет путь прохождения сообщения в коммутаторе 12 и его выход, с которого будет сниматься сообщение. С выхода коммутатора 12 сообщение преобразуется в шифраторе 10 соответствующей цепи 6. Затем видеоимпульсы с выхода шифратора 10 преобразуются в оптические сигналы в оптическом передатчике 7 одной из N цепей 6 распределительной станции 18 и по ВОК 5 подаются на фотоприемник 8 оптического приемопередатчика 4. В фотоприемнике 8 оптического приемопередатчика 4 оптические сигналы преобразуются в видеоимпульсы, которые поступают на вход контроллера 3. В контроллере 3 сообщения проверяются, например, на достоверность, правильность адресации данных или с ними проводятся другие операции. После обработки в контроллере 3 сообщения поступают на соответствующий приемопередающий блок 1. В зависимости от типа сообщения информация может поступать одновременно на несколько приемопередающих блоков 1.
Высокая скорость обмена информацией (Гбит/с), малое (оптимизированное для системы в заданном объекте) позволяют практически исключить наложение данных в коммутаторе 12 от нескольких приемо-передающих блоков 1. Но, если информационные сообщения сформируются одновременно в нескольких блоках 1, то, чтобы исключить коллизии и связанную с ними потерю информации, управление коммутатором 12 осуществляется с помощью процессора 13. На время, равное длительности таких сообщений, коммутатор 12 блокируется. Эти сообщения записываются в процессоре 13 и обрабатываются для определения их степени приоритетности (важности). Наиболее приоритетное сообщение с первого входа/выхода 15 процессора 13 при наличии команды на выходе 14 управления процессора 13 через коммутатор 12, последовательно соединенные шифратор 10, оптический передатчик 7 одной из N цепей 6 распределительной станции 18, ВОК 5, фотоприемник 8 оптического приемопередатчика 4, контроллер 3 подаются на соответствующий приемо-передающий блок 1. После выполнения этой операции аналогично, но по другому адресу, передается менее приоритетное сообщение.
Чтобы повысить надежность обмена данными, снизить потери информации в процессе обмена и сохранить циркулирующую между блоками 1 информацию, все n процессоров 13 объединены между собой через вторые входы/выходы 16 процессоров 13 двусторонними межпроцессорными связями по принципу «каждый с каждым». Этим обеспечивается надежность хранения информации оперативная замена вышедшего из строя процессора 13. Аналогичным образом для выполнения указанной выше цели двусторонними связями по принципу «каждый с каждым» через входы/выходы 17 коммутаторов 12 объединяются и коммутаторы 12.
В коммутаторе 12 осуществляются операции, которые позволяют управлять ресурсами и поведением всего объекта на уровне приемо-передающих блоков 1. Функциональные возможности, предоставляемые коммутатором 12, являются универсальными, и поэтому данная функция постоянно находится в составе уровня операционной системы процессора 13, который, в свою очередь, обеспечивает:
- контроль состояния работоспособности системы для обнаружения места возникновения неисправностей;
- выявление неисправностей и их автоматического устранения для идентификации, локализации и фиксации любых неисправностей, которые происходят в процессе работы, а также регистрации данных в целях выполнения технического обслуживания;
- управление конфигурацией системы для инициализации и выключения системы, а также для выполнения реконфигурации при получении указаний на изменение режима функционирования или при возникновении неисправности;
- обеспечение безопасности работы системы для сохранения целостности данных, их пригодности к работе и поддержания конфиденциальности данных, отмеченных в качестве защищаемых.
Данные по реконфигурации, формируемые контроллерами 3 совместно с процессором 13, в процессе работы (например, адрес, определение вида операции, информация по маршрутизации, данные по неисправностям и другие), необходимы для конфигурирования и управления ресурсами системы. Конфигурация системы описывается состояниями и переходами между ними. Состояние конфигурации характеризуется как каждое устойчивое состояние узла системы. В конечном счете, именно данные, выполняемые в процессе реконфигурации, описывают эти состояния и переходы между ними. В состав этих данных входят:
- состояние конфигурации;
- необходимость перехода - последовательности действий, которые будут выполнены для того, чтобы перевести соответствующий узел системы из одного состояния конфигурации в другое состояние;
- описание элементов конфигурации компонентов;
- описание неисправностей, методов их устранения и корректирующих воздействий по их исправлению;
- стратегия управления для обеспечения безопасности работы системы.
В базе данных процессора 13 содержится детальное определение архитектуры аппаратной части системы. На уровне поддержки функционирования процессора 13 содержится детальное описание используемого оборудования системы и предоставляется универсальный, независимый от технологии доступ к ресурсам контроллеров 3, подключенных к приемо-передающим блокам 1.
Операционной системой процессора 13 предоставляются следующие сервисные функции:
- виртуальные каналы между i-ми приемо-передающими блоками 1;
- синхронизация;
- управление через последовательно соединенные элементы 12, 10, 7, 5, 4 и 3 работой контроллеров 3, подключенных к приемо-передающим блокам 1;
- формирование сообщений о возникновении неисправностей;
- обработка принимаемых и передаваемых файлов;
- управление режимами работы по питанию.
Таким образом, процессор 13 постоянно устанавливает средства, необходимые для того, чтобы подсоединять приложения к приемо-передающим блокам 1, и тем самым позволять им совместно пользоваться всеми свойствами системы, предоставляемыми архитектурой программного обеспечения.
Архитектура программного обеспечения процессора 13 обеспечивает поддержку виртуальных каналов для обеспечения всех линий коммуникации между приемо-передающими блоками 1. Поскольку все взаимодействия между процессором 13 и приемо-передающими блоками 1 ограничиваются рамками логического интерфейса i-го контроллера 3, все сервисные функции предоставляются исключительно операционной системой процессора 13:
- для использования виртуальных каналов и данных реконфигурации, доступа к файлам, содержащимся в массиве базы данных;
- для увеличения уровня модульности, взаимозаменяемости и возможности многократного использования прикладных функций;
- для предоставления простой и прозрачной коммуникации совместно с обеспечивающими ресурсами;
- для предоставления эталонных (глобальных) меток времени для конкретных модулей, всей системы в целом;
- для управления работой малых программных модулей, распределения по приоритетам процесса обработки данных и поддержки выполнение многопоточных алгоритмов.
Процессор 13 необходим для выполнения функций установки системы, ее инициализации и контроля функционирования блоков 1 в соответствии с поддерживаемой конфигурацией. В базе данных процессора 13 хранится специфическое для данного момента времени данные реконфигурации.
Резервные процессоры 13 введены в состав системы для дублирования сервисных функций, поскольку с операциями контекстного переключения функций, составления расписания выполнения операций и управления правами доступа приходится иметь дело в границах используемой операционной системы.
Операционная система организует адресацию взаимодействий между различными приемо-передающими блоками 1 и процессором 13. Она определяет необходимые аспекты взаимодействия и протоколы, необходимые для обеспечения
взаимозаменяемости друг с другом блоков 1, и предоставления доступа к локализованным архивным файлам массива базы данных.
Функции переключения с неисправного блока 1 на исправный и синхронизации обеспечиваются процессором 13 с помощью виртуальных каналов. Поскольку алгоритмы, предназначенные для обработки конфигураций и оценки неполадок, возникающих в блоках 1, имеют природу, зависимую от объекта, в состав которого входит система, то на операционную систему процессора 13 возложено исполнение следующих функций:
- изменение логических конфигураций обеспечивается прикладными функциями процессора 13 или запрашивается соответствующим контроллером 3;
- сигнализация о возникновении неполадок в блоках 1 требует определенной реакции со стороны процессора 13.
Операционная система процессора 13 определяет способы логического взаимодействия между оконечными устройствами таким образом, чтобы удовлетворять требованиям обеспечения их взаимозаменяемости. Она предоставляет возможность осуществления взаимозаменяемости модулей.
Сервисные функции операционной системы процессора 13 распределяются по следующим группам:
- сервисные функции контроллера 3 необходимы для того, чтобы предоставить возможность получения информации о состоянии этого блока 1, например, по результатам тестирования;
- сервисные функции процессора 13 предоставляют средства для передачи данных конфигурации из массива базы данных по сети во все процессоры 13, распределения эталонных значений времени и обеспечения синхронизации между контроллерами 3.
Виртуальные каналы, которые являются средствами связи, основанными на сообщениях между процессами, которые являются независимыми от состояния системы. Конфигурация системы в динамике определяется сведениями о текущем состоянии, которые обрабатываются в процессоре 13.
Гибкие свойства системы обеспечивают возможность использования различных конфигураций в зависимости от имеющихся ресурсов или требуемой функциональности. Процесс перехода между такими конфигурациями известен как реконфигурация системы.
Конфигурации/реконфигурации системы могут возникнуть в результате:
- изменения системного режима;
- устранения отказов;
- действий по техническому обслуживанию;
- системной инициализации и выключения.
В системе постоянно определяется состояния различных узлов для обеспечения того, чтобы собщения были направлены по правильному маршруту.
Для ВОК 5 в зависимости от объекта установки системы определяются: конструктивное исполнение [4], интерфейс разъема модуля, геометрия оптического волокна и режим работы (многомодовый или одномодовый), что определяется размером внутреннего световода, шириной спектр осигнала и профилем распределения показателя преломления, чувствительностью оптических входов, выходными оптическими мощностями и максимальными потерями на отражение.
Блоки 1-9 по назначению и структуре одинаковые с прототипом. Они могут быть реализованы на известных серийных элементах и узлах. Введенные блоки 10, 12, 13, 18 могут быть реализованы на известных микросхемах и серийной аппаратуре. Функции блоков 10, 12 могут быть выполнены программно с помощью ЭВМ microPC марки Octagon или ей подобной. На этой ЭВМ может быть реализован процессор 13. Большинство операций, выполняемых операционной системой процессора 13, аналогичны выполняемым в коммутаторе AFDX [5].
К преимуществам заявляемой системы следует отнести:
- повышение надежности обмена данными обеспечено за счет резервирования узлов оборудования, обеспечивающего передачу сообщений между блоками системы;
- снижение потерь информации в системе обеспечено за счет использования процедур межпроцессорного и межкомутаторного процессов обмена данными;
- высокая скорость обмена информацией (Гбит/с), малое (оптимизированное для системы в заданном объекте) время переключения позволяют практически исключить наложение данных в коммутаторе 12 от нескольких приемопередающих блоков 1.
ЛИТЕРАТУРА:
1. AC №1510689 М. кл. Н04В 9/00. БИ №41, 1992.
2. Б.И. Кузьмин «Сети и системы цифровой электросвязи», часть 1 «Концепция ИКАО CNS/ATM. Москва - Санкт-Петербург: - ОАО «НИИЭР», 1999. - 206 с.
3. АС СССР №1688427 М. кл. Н04В 10/00. БИ №40 1991.
4. АС СССР №1823141 М. кл. Н04В 10/20. БИ №23 1993 (прототип).
5. CES White Paper on AFDX. DOC 8854\W Version 1/0б, 2005, 20 С.