Разработка и исследование методов повышения эффективности использования электрических линейных трактов внутризоновой и местной сети республики бурятия

На правах рукописи

Гармаев Валерий Дугаржапович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ
ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ЛИНЕЙНЫХ ТРАКТОВ ВНУТРИЗОНОВОЙ И МЕСТНОЙ СЕТИ
РЕСПУБЛИКИ БУРЯТИЯ

Специальность 05.12.13 – Системы, сети и устройства телекоммуникаций

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Новосибирск - 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики» (ГОУ ВПО «СибГУТИ»)

Научные руководители: доктор технических наук,

Попов Г.Н.

профессор

кандидат технических наук,

доцент Субботин Е.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Горлов Н.И.

кандидат технических наук

Шиянов В.А.

Ведущая организация: Институт инфокоммуникационных
технологий при Уфимском государственном авиационном техническом университете,
г. Уфа

Защита состоится «___» ________ 2009г. в ___ часов на заседании Диссертационного совета Д 219.005.01 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики» по адресу: 630102, г. Новосибирск, ул. Кирова, 86.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «СибГУТИ».

Автореферат разослан «__»_________ 2009 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета Д 219.005.01 доктор технических наук, профессор

Мамчев Г.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из основных задач телекоммуникационных систем является расширение сферы предоставляемых услуг и повышение их качества на всех сетях Единой сети электросвязи (ЕСЭ) Российской Федерации: сети общего пользования (ОП), технологических и выделенных сетях.

В общем составе сетей, входящих в ЕСЭ, сеть ОП является доминирующей, обслуживает подавляющее число пользователей ЕСЭ и определяет устойчивость функционирования ЕСЭ в целом.

Существующее состояние сетей ОП характеризуется высокими темпами внедрения новых технологий – волоконно-оптических технологий SDH, Ethernet и WDM, IP-телефонии, цифровых сетей подвижной связи 3-го поколения (3G) и т.д. Вместе с тем, указанные позитивные процессы еще не полностью охватили все сети, расположенные на территории страны. В частности, в Республике Бурятия магистральный участок первичной сети ЕСЭ полностью оснащен телекоммуникационными системами передачи технологии SDH и WDM компании «NEC» (Япония), внутризоновый участок на 50% функционирует на основе систем передачи оптического кабеля и 50% на основе электрического линейного тракта (кабельного 45% и воздушного 55%), сельские местные участки на 40% по оптическим трактам, 60% по электрическим трактам. Городская телефонная сеть г. Улан-Удэ строится по современной схеме организации связи: соединительная (транспортная) межстанционная сеть (МСС) между АМТС и АТС и между АТС реализуется на основе волоконно-оптических кольцевых структур, а абонентские линии на 100% являются электрическими, построенными на основе городских симметричных многопарных кабелей связи типа Т, ТПП и др. По прогнозам специалистов на ближайшие 30-50 лет электрические медные кабели будут составлять существенную долю в организации связи на абонентском участке ГТС. Более того, по современным требованиям при прокладке оптического кабеля на абонентском участке ГТС в состав кабеля должно входить несколько медных пар с целью обеспечения живучести сети ОП.

Очевидно, что электрические цифровые линейные тракты являются и, в будущем, будут являться существенной компонентой ЕСЭ РФ. Поэтому данная диссертационная работа, посвященная исследованию и разработке способов и методов повышающих эффективность использования существующих электрических линейных трактов внутризоновых и местных первичных сетей ОП, а также абонентских линий ГТС, является актуальной.

Вопросам повышения эффективности использования электрических линейных трактов и абонентских линий ГТС посвящено множество работ. Среди них труды М.Д. Венедиктова, О.Н. Порохова, В.О. Шварцмана, В.П. Шувалова, В.Н. Гордиенко, С.А. Курицына, Г.Н. Попова, В.В. Лебедянцева и многих других. В частности Г.Н. Поповым был предложен и исследован код ДБК-ЧПИ-n, где n=1, обладающий рядом полезных свойств. Дальнейшие исследования этого кода для n1 выполнены в диссертационной работе.

Цель работы. Диссертация посвящена теоретическому обоснованию и решению научно-технической задачи, имеющей важное прикладное значение – разработке способов и методов, повышающих эффективность использования существующих электрических линейных трактов сети ОП и абонентских линий ГТС на основе применения кодов ДБК-ЧПИ-n.

Задачи исследования. Основной задачей диссертации, базирующейся на выполненных автором научных исследованиях, практическом обобщении опыта, накопленного в процессе работы в отрасли связи Бурятии, является обеспечение условий для создания высокоэффективных электрических цифровых линейных трактов (ЦЛТ), обеспечивающих повышение качества услуг при сокращении стоимости ЦЛТ и объема работ по реконструкции, существующих кабельных линий связи.

Методы исследования. В диссертационной работе использован математический аппарат функционального анализа, теории сигналов, теории вероятностей и вычислительной математики. В процессе исследований широко использовалось имитационное моделирование на ЭВМ.

Научная новизна работы. В диссертационной работе получены следующие научные результаты:

• разработана методика определения точной верхней оценки энергетических спектров двух и трехуровневых сигналов;
• разработан и исследован алгоритм получения нового типа линейных сигналов ДБК-ЧПИ-n;
• разработан способ схемной реализации линейного сигнала ДБК-ЧПИ-n;
• разработана методика расчета длин регенерационных участков при использовании различных типов электрических линейных сигналов;
• разработана методика определения возможности одновременной работы нескольких ЦСП технологии xDSL по многопарным симметричным кабелям ГТС.

Практическая значимость работы. Проведенные исследования являются составной частью хоздоговорных и госбюджетных НИР, выполненных в 2007-2008 гг. на кафедре многоканальной электросвязи и оптических систем (МЭСиОС) ГОУ ВПО «СибГУТИ», в которых диссертант принимал участие.

НИР с БФ «Сибирьтелеком» «Определение количества одновременно работающих систем передачи «TELMAX» по многопарным симметричным кабелям», г. Улан-Удэ (2007-2008 гг.).

Результаты исследований используются в учебном процессе Бурятского филиала ГОУ ВПО «СибГУТИ» и использованы на цифровых сетях республики Бурятия.

Основные результаты диссертационной работы, выносимые на защиту:

• алгоритмы формирования линейных кодов ДБК-ЧПИ;
• сравнительный анализ спектральных характеристик существующих цифровых линейных сигналов и линейного сигнала ДБК-ЧПИ;
• методика расчета длины регенерационного участка, базирующаяся на учете минимально возможной величины Pош;
• алгоритм формирования линейных кодов класса ДБК-ЧПИ-n и способ их технической реализации;
• анализ спектральных характеристик линейных сигналов с ДБК-ЧПИ-n;
• методика расчета числа пар многопарных кабелей ГТС, которые можно задействовать для организации доступа.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций», г. Новосибирск, 2002; Международном форуме «Новые инфокоммуникационные технологии: достижения, проблемы, перспективы», г. Новосибирск, 2003; Международных научно-технических конференциях «Siberian Russian Workshop on of Electron Devices and Materials – EDM-2002, 2003», Эрлагол 2002, 2003; Международной научно-практической конференции «Качество и полезность в экономической теории и практике», г. Новосибирск, 2008, а также на научных семинарах кафедр МЭСиОС и ПДСиМ ГОУ ВПО «СибГУТИ».

Публикации. По материалам диссертации опубликована глава в учебном пособии, 10 научно-технических статей, из них 3 в международных сборниках и изданиях IEEE, 4 тезиса докладов на международных конференциях и форуме.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка работ автора по теме диссертации и приложений. Работа изложена на 122 страницах основного текста, содержит 33 таблицы, 75 рисунков, список литературы включает 53 наименования.

Краткое Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации и сформулирована основная цель работы, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен анализ современного состояния внутризоновой и местной сети Республики Бурятия и сформулирован вывод о том, что одним из основных способов повышения эффективности использования электрических линейных трактов внутризоновой и местной сети Республики Бурятия является применение нового типа линейных сигналов с кодированием класса ДБК-ЧПИ-n, обеспечивающих малые затраты на модернизацию аппаратуры и реконструкцию электрических цифровых линейных трактов.

Во второй главе произведено обоснование выбора кода ДБК-ЧПИ в качестве линейного сигнала для электрических цифровых линейных трактов.

Основными линейными сигналами ЦСП используемыми на местной и внутризоновой сети являются коды с чередованием полярности импульсов (ЧПИ) (системы ИКМ-120, ИКМ-30 и ИКМ-30С), а также дуобинарный код (ИКМ-15). Известно, что полоса частот, в которой сосредоточена основная энергия таких сигналов, численно равна тактовой частоте цифрового сигнала.

Для уменьшения полосы частот основного «лепестка» энергетического спектра линейного сигнала предлагается использовать комбинированный код типа ДБК-ЧПИ. Алгоритм получения линейного сигнала с ДБК-ЧПИ показан на рисунке 1.

Сигнал с ДБК разбивается на две временные последовательности и с ненулевыми элементами, имеющими длительность, равную одному тактовому интервалу t: и двум тактовым интервалам . Каждая из последовательностей передается с чередованием полярности импульсов, образуя линейный сигнал ДБК-ЧПИ . Причем длинные посылки сигнала ДБК , длительностью, превышающей два тактовых интервала: разбиваются на сумму элементов с длительностями, равными 2t, плюс, может быть, один (последний) элемент с длительностью t. В общем случае как последовательность так и может быть представлена в виде суммы элементарных трехуровневых посылок с общим размахом импульсов равным А на интервалах Ti и Те, показанных на рисунке 2, и суммы нулевых элементов на интервалах Т0j и Т0m:

Рисунок 1 Временная диаграмма получения линейного
сигнала ДБК-ЧПИ

Рисунок 2 Элементарные трехуровневые посылки

В диссертационной работе показано, что спектр плотности энергии экстремальных сигналов ДБК-ЧПИ имеет вид:

(1)

Для оценки сверху спектра плотности энергии экстремальных сигналов ДБК-ЧПИ воспользуемся неравенством Коши-Буняков­ско­го. Тогда для рядов в фигурных скобках выражения (1) справедливы следующие неравенства:

(2)

Отсюда получим верхнюю границу спектра плотности энергии и энергию сигнала ДБК-ЧПИ Едбк-чпи, учитывая,

тогда

(3)

Так как экстремальные сигналы ДБК-ЧПИ имеют бесконечную энергию Едбк-чпи при N, найдем выражения для спектра плотности мощности и мощности Рдбк-чпи с целью определения количественных характеристик линейных сигналов:

Тогда, при окончательно получим

(4)

Результаты расчета при и , приведены на рисунке 3 (здесь ).

Взяв при , получим спектр плотности мощности сигнала с ЧПИ:

а при , спектр плотности мощности БИ-импульсных сигналов:

На основе анализа графиков на рисунке 3, можно сделать вывод о том, что основная мощность линейного сигнала ДБК-ЧПИ сосредоточена в полосе частот от 0 до , a максимум энергетического спектра имеет место на частоте .

Рисунок 3 Спектры плотности мощности линейных кодов

Максимум спектра плотности мощности при этом смещается в низкочастотную часть направляющей среды. В случае использования металлического кабеля это означает, что километрическое затухание кабеля на максимуме энергетического спектра сигнала будет уменьшаться, а следовательно, длина регенерационного участка при использовании линейных кодов ДБК-ЧПИ будет увеличиваться по сравнению с кодами ЧПИ при одинаковой скорости передачи цифровой информации.

Линейные коды ДБК-ЧПИ по сравнению с другими известными квазитроичными кодами (ЧПИ, HDB-3) требуют введения задержки во времени передаваемой инфор­мации и усложнения схемных реализаций преобразователей кодов на передаче.

Линейный сигнал с кодом ДБК-ЧПИ имеет ряд преимуществ по сравнению с используемыми в настоящее время сигналами, такими как ДБК, ЧПИ (AMI), МЧПИ (HDB-3), а именно:

– обладает большей потенциальной помехозащищенностью при передаче элементарных посылок, особенно в сравнении с многоуровневыми и многопозиционными сигналами (2B1Q и СAP-M), т.к. увеличение числа позиций кодирования приводит к пропорциональному уменьшению защищенности от всех видов помех;

– максимум энергии спектра плотности мощности выбором параметра n может быть смещен в низкочастотную часть спектральной характеристики направляющей среды, обеспечивая тем самым большую длину регенерационного участка по сравнению с другими двух- и трехуровневыми кодами (ДБК, ЧПИ и МЧПИ);

– при сопоставимой (одинаковой) скорости передачи цифровых потоков передаваемых по ЦЛТ и длине регенерационного участка применение линейного сигнала ДБК-ЧПИ в сравнении с технологиями 2B1Q и СAP-M не требует высокоэффективных систем коррекции и шумоподавления, что обуславливает более низкую себестоимость аппаратуры с ДБК-ЧПИ.

Последнее обстоятельство является чрезвычайно важным для использования кода ДБК-ЧПИ в качестве линейного сигнала при организации цифровых линейных трактов внутризоновых и местных сетей ЕСЭ России, так как позволит «цифровизировать» существующие кабельные линии связи без значительных затрат на их реконструкцию.

В третьей главе рассматриваются возможности повышения эффективности использования цифровых линейных трактов с применением кода ДБК-ЧПИ.

Технико-экономический анализ методов повышения эффективности использо­вания линейных сооружений как методов ресурсосберегающего развития телефонной сети позволяет сформулировать совокупность требований к линейному сигналу:

1. В энергетическом спектре линейного сигнала должны быть ослаблены НЧ составляющие (обеспечение электромагнитной совместимости аналоговых и цифровых сигналов, исключение влияния низкочастотных импульсных помех и помех от несогласованностей).

2. Отсутствие промежуточных регенераторов, значительный разброс протяженностей линий и их неоднородность приводят к изменению в широких пределах условий распространения сигналов. Метод передачи не должен, по возможности, требовать дополнительной настройки ЦСП при установке на сети.

3. Существенный уровень внешних помех на воздушных линиях (ВЛС), где преобладают атмосферные и мешающие влияния радиостанций, ограничивает область используемых частот величиной 150 кГц.

4. Способ передачи должен обеспечивать:

• отсутствие постоянной составляющей в сигнале;
• организацию устойчивой тактовой синхронизации регенераторов при произвольных статистических свойствах двоичных сигналов;
• возможность контроля ошибок без перерыва связи.

Синтез линейного сигнала по всем приведенным, критериям является чрезвычайно сложной задачей. Поэтому линейный код должен соответствовать тем критериям, которые в наибольшей мере учитывают особенности применяемой линии передачи. В работе показано, что таким кодом для электрических линейных трактов внутризонового участка первичной сети РФ является код ДБК-ЧПИ.

Это утверждение обосновано результатами, полученными при определении длины регенерационного участка при работе ЦСП по различным типам кабеля, применяемых на внутризоновых сетях и при использовании различных способов кодирования линейного сигнала.

Далее рассматривается методика расчета длины регенерационного участка, учитывающая влияние помех от линейных переходов и базирующаяся на условии равенства допустимой защищенности Аз.доп и ожидаемой защищенности Аз.ож для максимальной длины регенерационного участка.

Расчет допустимой защищенности одиночного регенератора базируется на двух общеизвестных положениях:

1. Оценка вероятности ошибки Рош в ЦЛТ некоторой длины L может быть определена по формуле:

, (5)

где n – общее количество регенераторов в ЦЛТ длиной L, – значение вероятности ошибки i-го регенератора.

В предположении, что все участки регенерации ЦЛТ имеют одинаковую длину, и все регенераторы общим числом n находятся в одинаковых условиях, окончательно получим:

, (6)

при условии, что .

2. Между вероятностью ошибки одиночного регенератора Рош рег.i и защищенностью от всех видов помех Аз на его входе существует однозначная зависимость:

, дБ, (7)

где Lур – число уровней цифрового линейного сигнала передаваемого по ЦЛТ.

Допустимая вероятность ошибки, возникающая в одиночном регенераторе Рош доп рег.i, в данной работе определяется исходя из структуры, введенной рекомендацией G.821 МСЭ-Т для гипотетического эталонного соединения (ГЭЦК) для основных цифровых каналов (ОЦК) со скоростью передачи 64 кбит/сек для каждого направления соединения, которые могут быть использованы для телефонной связи или для передачи данных. Эксплуатационные нормы для международного соединения в цифровой сети с интеграцией служб (ЦСИС или ISDN) показаны на рисунке 4.

Рисунок 4 Схема организации международной связи (Аб – абонент;
ОС – оконечная станция национальной сети; МС – международная станция)

Аб – абонент; СС – сетевая станция; МС – международная станция

Рисунок 5 Структура ГЭЦК первичной сети ЕСЭ России, где
СМП – магистральная первичная сеть, ВЗПС – внутризоновая первичная сеть;
МПС – местная первичная сеть; АЛ – абонентская линия

Таким образом допустимая вероятность ошибки Рош.доп. между двумя оконечными устройствами (абонентами) не должна быть больше чем 10-6. Указанная величина распределяется как показано на рисунке 4.

На национальном участке первичной сети ЕСЭ России распределение норм на показатели ошибок соответствует ГЭЦК, приведенному на рисунке 5.

Вероятность ошибки национального участка равномерно распределена между участками номинальной сети, т.е. PСМП = = PВЗПС = PМПС = PАЛ = 10–7, где PСМП, PВЗПС, PМПС, PАЛ допустимые вероятности ошибки соответственно, магистрального, внутризонового, местного и абонентского участков номинальной цепи. Тогда, учитывая, что в ЦЛТ вероятности ошибки суммируются, получим условное значение допустимой вероятности на 1 км ЦЛТ:

Исходя из этого, определим допустимую величину вероятности ошибки одиночного регенератора Pош доп рег для местного участка первичной сети (МСП) для регенерационного участка (РУ) длиной L­РУ:

Результаты сведем в таблицу 1.

Таблица 1 Величина допустимой вероятности ошибки одиночного регенератора
для РУ длиной LРУ для МСП

L­РУ, км	1	2	3	4	5	6	7	8
Pош доп рег	110–9	210–9	310–9	410–9	510–9	610–9	710–9	810–9

Допустимая защищенность определяется по формуле:

, (8)

где L­ур – число уровней цифрового линейного сигнала.

Выражение (8) справедливо для 10–4 < Pош рег < 10–15 с точностью 0,05 дБ.

Известное выражение для определения защищенности от переходных помех на ближнем конце имеет вид:

Аз0 ож = (А0 – Ару – 20lgm – 0) – q, дБ (m 4). (9)

Аналогично выражение для определения защищенности от переходных помех на дальнем конце:

Азl ож = (Аl – Ару – 20lgm – l) – q, дБ (m 4). (10)

При большом числе влияющих систем (m > 4) в выражениях (9) и (10) член, учитывающий суммирование по напряжению – 20lgm, следует заменить на член, учитывающий суммирование по мощности – 10lgm.

Необходимо отметить, что переходные затухания на ближнем и дальнем конце A0 и Al имеют частотно-зависимый характер.

Однако, на практике ожидаемая защищенность Аз0 ож и Азl ож рассчитывается на одной расчетной частоте fр, при этом fр выбирается для разных типов цифровых линейных сигналов, как частота, на которой плотность распределения энергетического спектра G( f ) данного линейного сигнала принимает максимальное значение, например, для линейного сигнала с ЧПИ (AMI) , где fт – тактовая частота двоичного (бинарного) сигнала, транспортируемого по ЦЛТ.

Далее в диссертационной работе производится сравнительный анализ основных цифровых линейных сигналов, по критерию обеспечения максимальной длины регенерационного участка при приемлемой сложности оборудования ЦЛТ. Основным режимом работы на МСП является однокабельный режим работы, при котором определяющими являются переходные помехи на ближнем конце, поэтому расчет Аз доп рег и Аз0 ож в зависимости от длины регенерационного участка LРУ производился по формулам (8) и (9) соответственно. В качестве примера для проведения расчетов был выбран симметричный кабель связи типа ТПП 1020,4, как наихудший вариант с точки зрения электрических параметров среди всех кабелей связи МСП, fр – расчетная частота, определяемая в соответствии с максимумом плотности распределения энергетического спектра линейного сигнала, необходимая для расчета километрического затухания и переходного затухания на ближний конец , частотные характеристики которых для кабеля ТПП приведены в приложениях 3.1 и 3.2 диссертационной работы. Все расчеты произведены в предположении, что по ЦЛТ транспортируется первичный цифровой поток Е1 со скоростью передачи двоичного (бинарного) сигнала 2048 кбит/с и тактовой частотой fт – 2048 кГц.

Результаты расчета допустимой и ожидаемой защищенности для различных линейных кодов приведены в виде графиков на рисунках 6, 7, 8, 9, 10.

Рисунок 6 График зависимости допустимой и ожидаемой защищенности от длины регенерационного участка кабеля ТПП 1020,4 для кодов AMI (ЧПИ) и HDB-3	Рисунок 7 График зависимости допустимой и ожидаемой защищенности от длины регенерационного участка кабеля ТПП 1020,4 для кода 2B1Q
Рисунок 8 График зависимости допустимой и ожидаемой защищенности от длины регенерационного участка кабеля ТПП 1020,4 для кода CAP-64	Рисунок 9 График зависимости допустимой и ожидаемой защищенности от длины регенерационного участка кабеля ТПП 1020,4 для кода TC-PAM

Рисунок 10 График зависимости допустимой и ожидаемой защищенности от длины
регенерационного участка кабеля ТПП 1020,4 для кода ДБК-ЧПИ

Результаты расчетов, полученных в третьей главе сведены в таблицу 2.

Таблица 2 Результаты расчета длин регенерационного участка

Линейный код	Длина регенерационного участка (ТПП 1010,4, линейная скорость – 2048 кбит/с при максималь­ном значении А0), км
HDB-3	1,3
2B1Q	2,5
САР-64	2,7
ТС-РАМ	3,1
ДБК-ЧПИ	2,7

Из таблицы 2 видно, что наибольшую длину регенерационного участка обеспечивает код ТС-РАМ. Однако код ТС-РАМ является многоуровневым кодом (16-тиричный), что исключает возможность использования промежуточных регенераторов, усложняет оборудование ЦЛТ и повышает его стоимость. Поэтому более предпочтительным является использование трехуровневого линейного сигнала ДБК-ЧПИ, обеспечивающего почти 2-х кратное увеличение длины регенерационного участка по сравнению с трех уровневым линейным сигналом HDB-3, при этом оборудование ЦЛТ не требует реконструкции.

После выполнения расчетов длин регенерационных участков для разных видов кодов, оценим их применение на других видах кабелей. (ТПП 1010,4, КСПП 140,9/1,20, МКС 140,9/1,2, ЗКП 140,9/1,2).

Из графика (рисунок 11) видно, что при наиболее благоприятных обстоятельствах (со­стояние кабеля соответствующее нормам), длины регенерационных участков могут доходить до 26 км, что соответствует примерно пяти длинам РУ сис­тем передач ИКМ-30С.

Рисунок 11 Длина регенерационного участка для различных кодов
при работе на местном участке первичной сети

Далее в третьей главе рассматриваются некоторые аспекты практического применения линейного кода ДБК-ЧПИ.

Цифровой линейный тракт с использованием кода ДБК-ЧПИ реализован в серийно выпускаемой аппаратуре цифровой системы передачи ИКМ-7ТМ.

Полученные практические результаты подтверждают правильность расчетов, произведенных по предлагаемой методике и перспективность использования линейного кода ДБК-ЧПИ при организации цифровых линейных трактов внутризоновых и местных сетей связи.

Аналитический обзор и сравнительный анализ методов повышения эффективности использования действующих участков внутризоновой сети ЕСЭ РФ с использованием кода ДБК-ЧПИ позволяют сделать следующие выводы:

• применение линейных кодов ДБК-ЧПИ позволяет существенно повысить длину регенерационных участков цифровых линейных трактов по сравнению с используемыми на сети двух- и трехуровневыми кодами;
• цифровые линейные тракты, предназначенные для передачи цифровых потоков Е1, могут быть модифицированы путем использования метода АДИКМ для кодирования речи и применения линейного кода ДБК-ЧПИ таким образом, что число цифровых каналов для передачи телефонных сообщений увеличивается в 4 раза по сравнению со стандартным потоком Е1;
• на существующих аналоговых линейных трактах кабельных и воздушных линий связи могут быть организованы цифровые каналы с помощью специализированных систем передачи с гибким мультиплексированием, причем число цифровых каналов будет определяться качественными параметрами существующих линейных трактов;
• для реализации специализированных ЦСП внутризоновых сетей существуют прототипы, выпускаемые в России;
• наиболее перспективным направлением внедрения рассмотренных методов является реализация их в рамках программы «Электронная Россия».

В четвертой главе рассматриваются возможности использования линейных сигналов класса ДБК-ЧПИ-n на цифровых сетях ЕСЭ и способ их технической реализации.

В главе рассмотрен алгоритм формирования линейного сигнала с ДБК-ЧПИ-n на примере формирования кодов ДБК-ЧПИ-3 и ДБК-ЧПИ-4.

На основе алгоритма формирования кода ДБК-ЧПИ, который в классификации кодов ДБК-ЧПИ-n, будет иметь индекс n = 2 (ДБК-ЧПИ-2), построим код ДБК-ЧПИ-3, для этого увеличим длительности элементарной посылки на один тактовый интервал t, т.е. увеличим период сигнала и тем самым уменьшим тактовую частоту цифрового линейного сигнала в 3 раза по сравнению с транспортируемым двоичным сигналом. Таким образом, получим три варианта элементарных трехуровневых посылок для линейного сигнала с ДБК-ЧПИ-3 с T3 = 3t2. Вариант построения линейного кода ДБК-ЧПИ-3 показан на рисунке 12.

Рисунок 12 Элементарные трехуровневые посылки кода ДБК-ЧПИ-3

Таким образом, увеличивая период линейного сигнала с ДБК-ЧПИ-n, длительность единичной посылки будет увеличиваться (при следовании серии 1111111…), а через n тактовых интервалов сигнала типа RZ будет происходить инвертирование последующей однородной посылки ДБК-ЧПИ-n.

Для определения влияния изменившегося алгоритма формирования линейного кода на энергетический спектр определим его состав. Основываясь на методике расчета, приведенной в главе 2 и имея в виду очевидный факт изменения тактовой частоты цифрового линейного сигнала (по отношению к транспортируемому по ЦЛТ исходному двоичному сигналу в формате RZ в 3 раза), приведем выражение для энергетического спектра :

(11)

Из рисунка 13 видно, что основная мощность линейного сигнала ДБК-ЧПИ-3 сосредоточена в полосе частот от 0 до T/3, а максимум энергетического спектра имеет место на частоте T/6.

Аналогично определяется вид линейного сигнала ДБК-ЧПИ-4 и его энергетический спектр (12), приведенные на рисунках 14, 15.

Рисунок 13 Энергетический спектр линейного кода ДБК-ЧПИ-3

Рисунок 14 Элементарные трехуровневые посылки кода ДБК-ЧПИ-4

Рисунок 15 Энергетический спектр линейного кода ДБК-ЧПИ-4

. (12)

Основная мощность линейного сигнала ДБК-ЧПИ-4 сосредоточена в полосе частот от 0 до T/4, а максимум энергетического спектра имеет место на частоте T/8.

Расчет длины регенерационного участка для линейных сигналов с ДБК-ЧПИ-4 базируется на методике, приведенной в главе 3, согласно которой рассчитываются допустимая защищенность и ожидаемая защищенность на входе одиночного регенератора в зависимости от длины регенерационного участка Lру. Точка пересечения двух графиков Аз доп рег и Аз.ож рег определяет максимальную длину для кабеля с заданными параметрами переходного затухания на ближний конец А0 и километрического затухания при передаче (транспортировке) по ЦЛТ первичного цифрового потока Е1.

Результаты расчетов Аз доп  и Аз.ож для различных типов применяемых симметричных электрических кабелей связи, приведены на рисунках 16-18.

Как видно из приведенных графиков, применение кода ДБК-ЧПИ-4 обеспечивает почти 2-х кратное увеличение длины регенерационного участка по сравнению с кодом ДБК-ЧПИ (или ДБК-ЧПИ-2).

Далее рассматриваются способы технической реализации преобразователей кодов ДБК-ЧПИ-4 на передаче и приеме.

Рисунок 16 График зависимости допустимой и ожидаемой защищенности от длины регенерационного участка кабеля ТПП 1020,4 для кода ДБК-ЧПИ-4	Рисунок 17 График зависимости допустимой и ожидаемой защищенности от длины регенерационного участка кабеля КСПП 141,2 для кода ДБК-ЧПИ-4

Рисунок 18 График зависимости допустимой и ожидаемой защищенности от длины
регенерационного участка кабеля МКС 141,2 для кода ДБК-ЧПИ-4

Для реализации предложенного алгоритма формирования ДБК-ЧПИ-4 требуется, чтобы преобразователь кода производил анализ поступающих сигналов на интервалах длительностью четыре тактовых интервала. Это необходимо для формирования посылок разной длительностью и инвертирования группы символов. На рисунке 19 показаны 16 вариантов дешифраторов, реализующих преобразование 24 вариантов кодовых комбинаций, поступающих на вход преобразователя кода. Необходимо учитывать, что для нормальной работы системы синхронизации, необходимо чтобы в поступающем цифровом потоке были исключены длинные серии нулей. Для этого поток в коде RZ необходимо скремблировать, т.е. изменить статистическую структуру сигнала, т.о. чтобы вероятности появления «1» и «0» были равны.

Рисунок 19 Реализация преобразователя кода ДБК-ЧПИ-4 на передаче

Информационный сигнал в коде RZ поступает в регистр, где четыре разряда кода записываются и в параллельном коде передаются в схему «И». Данная схема, срабатывая при поступлении на вход четырех единиц, передает управляющий сигнал на РУ2 – решающее устройство. На выходе RG сформированный код ДБК передается на решающее устройство (РУ1) для подачи на один из управляющих ключей (К1, К2). При записи 4-х разрядов кода РУ2 подключает К1, тем самым образуя движение тока по часовой стрелке обмотки трансформатора и создавая положительный импульс. При поступлении такой последовательности (по структуре), вновь сработавшая схема «И» и РУ2 подключит К2, тем самым образуя движение тока против часовой стрелке, т.е. сформирует отрицательный импульс ДБК-ЧПИ-4.

Для преобразования линейного сигнала в коде ДБК-ЧПИ-4 на приеме необходимо преобразовать последовательность с ЧПИ в однополярную (рисунок 20) и в соответствии с алгоритмом формирования на передаче сформировать исходную последовательность в коде ДБК, а затем известными методами, преобразовать код ДБК в исходный двоичный сигнал в формате RZ.

Рисунок 20 Преобразователь кода с ЧПИ

В настоящее время развитие современных цифровых телекоммуникационных сетей осуществляется с использованием передовых информационных технологий, основанных на использовании оптических цифровых линейных трактов. Однако при этом электрические цифровые тракты являются и, в будущем, будут являться существенной компонентой первичной сети Единой Сети Электросвязи Российской Федерации. Более того, в некоторых регионах (Западная, Восточная Сибирь, Забайкалье) цифровые внутризоновые и местные первичные сети, включая сети xDSL, функционируют в основном с использованием электрических цифровых линейных трактов. В этой связи актуальным является вопрос о выборе цифровых линейных сигналов, позволяющих с наибольшей эффективностью «транспортировать» стандартные цифровые потоки PDH по существующим электрическим цифровым линейным трактам. В качестве критерия эффективности наиболее целесообразным представляется использовать показатель, который можно назвать удельным транспортным коэффициентом линейного сигнала Kтлс и определяемым, как отношение скорости передачи исходного двоичного сигнала Bдс к минимально-требуемой полосе частот цифрового линейного тракта Fцлт необходимого для его передачи с использованием данного линейного сигнала

. (13)

При этом минимальной допустимой полосой частот цифрового линейного тракта Fцтл, является ширина полосы частот основного «лепестка» энергетического спектра линейного сигнала, в которой, как известно, сосредоточена основная часть энергии линейного сигнала (от 90 до 95%).

В качестве вспомогательных показателей эффективности при классификации линейных сигналов рассматриваются также такие показатели, как его сбалансированность, частота максимума плотности распределения энергетического спектра, вид и форма посылок линейного сигнала.

В таблице 3 приводятся результаты сравнения наиболее распространенных линейных сигналов (AMI, HDB, CAP, 2B1Q, TC – РАМ, ДБК-ЧПИ) по предложенной классификации и делается вывод о высокой эффективности линейного кода вида ДБК-ЧПИ-4.

Таблица 3 Сравнительная эффективность линейных сигналов при транспортировке
потока Е1 по электрическому ЦЛТ

Тип линейного сигнала	Полоса частот, кГц	Частота максимума энергетического спектра, кГц	Максимальное значение цифровой суммы, бит	Ктлс,
ДБК	02048	0		1
ЧПИ	02048	1024	±1	1
МЧПИ	02048	1024	±2	1
2B1Q	01024	512		2
ДБК-ЧПИ	01024	512	±2	2
САР-16 ДБП; = 1	01024	512	±1	2
САР-16 ОБП; = 1	0512	512	±1	4
ДБК-ЧПИ-4	0512	256	±10	4

Разработанный в диссертационной работе дуобинарный код с чередованием полярности импульсов n-го порядка (ДБК-ЧПИ-n), который может использоваться в качестве линейного сигнала в ЦЛТ (цифровых линейных трактах) ЦСП, работающих по электрическим кабелям связи, имеет ряд преимуществ перед другими цифровыми линейными сигналами. Эти преимущества можно эффективно использовать при передаче всех видов цифровых сигналов на цифровых сетях технологии xDSL.

Алгоритм формирования линейного сигнала с кодом ДБК-ЧПИ-n заключается в том, что длительность передаваемых импульсов одной полярности составляет не только один тактовый интервал, как в коде ЧПИ (при этом n = 1), а несколько тактовых интервалов: n = 2, 3, 4, …. При этом энергетический спектр линейных сигналов с ДБК-ЧПИ-n имеет вид:

, (14)

где m – количество импульсов длительностью t в однополярной посылке ДБК-ЧПИ-n; t = 1/fТ; Т = 2fТ; fТ – тактовая частота передаваемого цифрового (бинарного) сигнала.

Для линейного сигнала с ДБК-ЧПИ-n его основная энергия сосредоточена в полосе частот 0Т/n, а максимум энергетического спектра имеет место на частоте Т/(2n).

Последнее обстоятельство является чрезвычайно важным при использовании кода ДБК-ЧПИ-n в качестве линейного сигнала для организации цифровых сетей технологии xDSL, так как позволит «цифровизировать» существующие электрические кабельные линии связи без значительных затрат на их реконструкцию.

Линейный сигнал с кодом ДБК-ЧПИ-n имеет ряд преимуществ по сравнению с используемыми в настоящее время ДБК, ЧПИ (AMI), МЧПИ (HDB-3), 2В1Q, QAM-M, СAP-M, TC-PAM, а именно:

– являясь трехуровневым многопозиционным кодом, обладает более высокой потенциальной помехозащищенностью при передаче элементарных посылок, в сравнении с многоуровневыми и многопозиционными сигналами (2B1Q, TC-PAM и СAP-M), т.к. увеличение числа позиций кодирования приводит к пропорциональному уменьшению защищенности от всех видов помех;

– максимум энергии спектра плотности мощности выбором параметра n может быть смещен в низкочастотную часть спектральной характеристики направляющей среды, обеспечивая тем самым большую длину регенерационного участка по сравнению с другими двух- и трехуровневыми кодами (ДБК, ЧПИ и МЧПИ);

– при сопоставимой (одинаковой) скорости передачи цифровых потоков передаваемых по ЦЛТ (цифровому линейному тракту) и длине регенерационного участка применение линейного сигнала ДБК-ЧПИ-n в сравнении с технологиями 2B1Q, TC-PAM и СAP-M не требует сложных систем коррекции и шумоподавления и при этом обеспечивается возможность применения традиционной трехуровневой регенерации, что обуславливает более низкую себестоимость аппаратуры с ДБК-ЧПИ-n.

В пятой главе на основе методики, приведенной в главе 3, решена задача по определению количества пар, которые можно использовать для передачи данных.

Расчет ожидаемой защищенности выполнен для кабеля ТПП 1020,4, используемого в кабельных сооружениях ГТС. А0 – величина переходного затухания на ближнем конце взята для девяти значений в соответствии с рабочими частотами, измеренными для десятипарного пучка кабеля типа ТПП 1020,4 длиной 1293 м в диапазоне частот до 1024 кГц. Расчеты выполнены для кодов HDB-3, 2B1Q, CAP-64, TC-PAM, ДБК-ЧКИ-4 (рисунки 21-25).

Рисунок 21 График зависимости допустимой и ожидаемой защищенности от длины регенерационного участка кабеля ТПП 10020,4 для кода HDB-3	Рисунок 22 График зависимости допустимой и ожидаемой защищенности от длины регенерационного участка кабеля ТПП 10020,4 для кода 2B1Q
Рисунок 23 График зависимости допустимой и ожидаемой защищенности от длины регенерационного участка кабеля ТПП 10020,4 для кода CAP-64	Рисунок 24 График зависимости допустимой и ожидаемой защищенности от длины регенерационного участка кабеля ТПП 10020,4 для кода TC-PAM

Рисунок 25 График зависимости допустимой и ожидаемой защищенности от длины регенерационного участка кабеля ТПП 10020,4 для кода ДБК-ЧПИ-4

Таблица 4 Результаты расчета длины регенерационного участка

Линейный код	Длина регенерационного участка (ТПП 10020,4, скорость передачи двоичного сигнала – 2048 кБит/с при максимальном значении А0), км
HDB-3	2,5
2B1Q	3,1
CAP-64	4,1
TC-PAM	3,8
ДБК-ЧПИ-4	4,8

Из приведенных расчетов видно, что в случае построения цифрового абонентского доступа наиболее целесообразно использовать код ДБК-ЧПИ-4, который обеспечивает максимальную длину регенерационного участка (таблица 4), а максимальное количество одновременно работающих систем на заданной длине 1,293 км обеспечивают коды TC-PAM, CAP-64 и ДБК-ЧПИ-4.

Разработанная методика расчета количества одновременно работающих систем передачи xDSL позволяет определить количество одновременно работающих в многопарных кабелях систем передачи xDSL при заданной длине LРУ, заданной вероятности ошибки Рош доп рег и требуемой скорости передачи двоичного цифрового сигнала.

В заключении изложены основные результаты, полученные в диссертационной работе в ходе исследований.

В приложении представлены акты внедрения результатов диссертационной работы.

Основные выводы и результаты. В диссертационной работе произведен анализ эффективности использования различных линейных сигналов и предложены методы, позволяющие повысить эффективность использования существующих кабельных линий связи на внутризоновых и местных участках Единой сети электросвязи:

• в качестве линейного сигнала предложено использовать линейный код с дуобинарным кодированием и чередованием полярности импульсов, позволяющий существенно повысить длину регенерационных участков по сравнению с известными линейными кодами с ДБК и ЧПИ (МЧПИ);
• получены аналитические выражения, базирующиеся на неравенстве Коши-Буняковского, для «оценки сверху» энергетических спектров цифровых линейных сигналов;
• разработана схема преобразователя кода для реализации алгоритмов ДБК-ЧПИ-n;
• предложен способ расчета помехозащищенности цифровых линейных трактов от линейных переходов;
• произведен расчет предельно достижимых длин регенерационных участков для внутризоновых и местных сетей;
• предложен метод классификации электрических линейных сигналов по критерию удельного транспортного коэффициента линейного сигнала КТЛС;
• разработана методика расчета возможности совместной работы систем передачи xDSL по многопарным симметричным кабелям ГТС.

Список работ автора по теме диссертации

1. Гармаев В.Д., Глава 11. «Нормы на показатели качества цифровых каналов и трактов сети доступа» (236-282 с.) в учебном пособии «Нормирование качества телекоммуникационных услуг». Битнер В.И., Попов Г.Н. Под ред. Шувалова В.П. – М.: Горячая линия – Телеком. - 2004. – 312с. Рекомендовано УМО в качестве учебного пособия для специальностей 654400 и 550400 «Телекоммуникации».
2. Garmaev V.D., Shuvalov V.P., Popov G.N. «Proceedings Intrazonal Transmission Network». Proceedings EDM-2002, Erlagol. IEEE Catalog No. 02FX518, pp. 6-7.
3. Гармаев В.Д., Буинов П.А., Попов Г.Н. Вхождение в глобальное информационное общество. Бурятский вариант // Инфосфера. – 2002. - № 3 [14]. - С. 15-16.
4. Garmaev V.D., Shuvalov V.P., Popov G.N. Entering the Global Information Sosiety. Buryut Way // IEEE Communications Magazine. Communications Newsletter. – 2003. - vol.43. - № 36. - pp. 3-4.
5. Garmaev V.D., Gusev A.Y., Popov G.N. Analysis of Spectral Characteristics of DBC – AMI>
6. Гармаев В.Д., Гусев А.Ю., Попов Г.Н. О возможности повышения эффективности использования цифровых линейных трактов. Депонированная статья, ВИНИТИ, № 10 – В2003, 11 с.
7. Гармаев В.Д., Гусев А.Ю., Попов Г.Н. Анализ спектральных характеристик линейных кодов класса ДБК-ЧПИ. Депонированная статья, ВИНИТИ, № 1872 – В2003, 11 с.
8. Гармаев В.Д., Попов Г.Н., Сединин В.И. О возможности расширения зоны покрытия сотовой связи при помощи использования направляющей среды в виде контактного провода электрифицированных железных дорог. Депонированная статья, ВИНИТИ, № 1442 – В2002, 6 с.
9. Гармаев В.Д., Агеева Е.А., Попов Г.Н. Эффективная модель цифрового линейного тракта для первичного цифрового потока Е1 / Сборник материалов Международной научно-технической конференции «Перспективы развития современных средств и систем телекоммуникаций». – Новосибирск.: СибГУТИ. – 2002. - 1 с.
10. Гармаев В.Д., Попов Г.Н., Чувашов В.Н, Буинов П.А. Об опыте использования линейных сооружений магистральных сетей для организации внутризоновой и местной связи / Сборник материалов Международного форума. – Новосибирск. – 2003. - 1 с.
11. Гармаев В.Д., Ванданова Н.Д., Попов Г.Н. Влияние синхронизации на качество связи / Сборник материалов Международной научно-практической конференции. – Новосибирск. – 2008. - 1 с.
12. Субботин Е.А., Гармаев В.Д. Повышение эффективности использования кабельных сооружений сетей доступа в условиях формирующегося рынка массовых инфокоммуникационных услуг / Теория, техника и экономика сетей связи: Сборник научно-технических и методических трудов, выпуск 7 / Под редакцией Субботина Е.А.. – Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ». – 2008.
13. Гармаев В.Д., Субботин Е.А. Методика определения допустимого количества пар для организации систем передачи данных // «Естественные и технические науки». – 2009. - №5.
14. Гармаев В.Д., Ванданова Н.Д., Попов Г.Н. «О возможности использования кодов класса ДБК-ЧПИ-n на цифровых сетях железнодорожного транспорта». Сборник «Проблемы информационной безопасности и электромагнитной совместимости телекоммуникационных систем железнодорожного транспорта». – Омск: ОГУПС. - 2009. – 4 с.

____________________________________________________________________

Гармаев Валерий Дугаржапович

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

____________________________________________________________________________________

Подписано в печать __ __ 2009,

формат бумаги 60х84/16, отпечатано на ризографе, шрифт №10,

изд.л. ___, заказ № ___, тираж 100. СибГУТИ

630102, Новосибирск, ул. Кирова, 86