Разработка и исследование метода широкополосного доступа по абонентским линиям телефонной сети

В настоящее время в России и в мире в целом связь является одной из наиболее динамично развивающихся отраслей. Информация занимает все большее и большее место в жизни людей. Постоянно возрастают объемы, вид и характер используемой человеком информации. Глобальная сеть Интернет заняла надежное место и стала частью повседневной в жизни многих людей. Это заставляет телекоммуникации стремительно развиваться, чтобы удовлетворять постоянно возрастающие требования к методам передачи, обработки и хранения информации.

Одной из важнейших задач телекоммуникаций сегодня является проблема доступа пользователей к ресурсам информационных сетей. Какими бы фантастическими возможностями не обладала самая современная сеть связи, пользователи не смогут ими воспользоваться, если не будет обеспечен широкополосный доступ к этой сети.

Уже более 15 лет разрабатываются различные технологии широкополосного доступа. Основными критериями, влияющими на внедрение и популярность той или иной технологии, являются такие факторы как скорость передачи информации, дальность связи и стоимость организации широкополосного доступа.

На сегодняшний день наибольшее распространение получили технологии широкополосного доступа, такие как технологии семейства xDSL (Digital Subscriber Line), использующие в качестве среды распространения абонентские линии телефонных сетей, технологии передачи информации по сетям кабельного телевидения, различные технологии широкополосного доступа по волоконно-оптическим кабелям. Динамично развиваются так же различные технологии радиодоступа.

Работа над разработкой новых технологий широкополосного доступа постоянно продолжается, так как постоянно возрастают требования пользователей к характеристикам доступа, увеличивается количество пользователей современных сетей связи.

Анализ существующих методов проводного широкополосного доступа показал, что наибольшую популярность и распространенность имеют технологии доступа, использующие в качестве среды передачи сигналов существующие проводные линии. Этот факт обуславливается тем, что бурное развитие телекоммуникаций породило устойчивый спрос на широкополосный доступ к современным сетями связи у домашних пользователей. Стоимость организации доступа для такого рода пользователей часто является определяющий, а вторичное использование уже проложенных абонентских линий позволяет сделать широкополосный доступ доступным для многих домашних пользователей.

Наиболее часто используемая технология широкополосного доступа ADSL, входящая в семейство технологи xDSL, обладает рядом достоинств, определивших ее частое применение при организации доступа. К основным достоинствам технологии ADSL можно отнести сравнительно высокую скорость передачи информации и возможность работы по аналоговым абонентским линиям телефонных сетей. Но этой технологии присущи не только достоинства, но и недостатки, например, низкая помехоустойчивость к взаимным помехам, существенная деградация скорости передачи информации под действием помех в линии, использование устройств частотной фильтрации и формирования в оконечном оборудовании. Эти и другие недостатки оставляют место для новой, более совершенной технологии широкополосного доступа.

Цель диссертационной работы заключается в разработке метода широкополосного доступа по абонентским линиям телефонной сети на основе использования цифровых сигналов, не требующих использования устройств частотной фильтрации и формирования, метода, реализуемого полностью с помощью цифровых технологий.

В диссертационной работе поставлены следующие задачи исследований:

— В условии научно-технической задачи считаются заданными общие параметры и характеристики абонентских линий телефонной сети.

— В абонентской линии действует комплекс мощных помех, включая импульсные, узкополосные, переходные на фоне аддитивного нормального белого шума.

— Скорость передачи информации должна быть соизмерима или превосходить известные технологии абонентского доступа.

— Качество передачи информации должно соответствовать требованиям соответствующих стандартов.

— Пиковая мощность используемых сигналов должна быть ограничена традиционно применяемыми источниками электропитания.

— Используемые сигналы не должны содержать аналоговой несущей, т. е. не предполагается наличие устройств частотной фильтрации и формирования.

Требуется разработать и исследовать метод (технологию) широкополосного доступа по абонентским линиям телефонной сети, включающий разработку и исследование оптимальных сигналов, разработку и исследование цифровой спектральной обработки сигналов, оценку эффективности и математическое моделирование разработанной технологии.

При решении поставленных задач в работе использовались элементы теории электрических цепей и теории электросвязи, теория цифровой обработки сигналов с привлечением методов статистической теории связи, теории спектрального и функционального анализа, элементы теории вероятностей и математической статистики. При проведении количественных расчетов и математического моделирования технологии сверхширокополосного доступа использовался пакет программного обеспечения MathCAD 200 li Professional.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

— Проведено исследование и сравнение низкочастотной модели абонентской линии и модели резистивно-емкостной длинной линии. Доказана справедливость применения низкочастотной модели линии при проведении расчетов и математического моделирования.

— Решена задача определения оптимальной формы сигнала на входе линии по критерию максимальной скорости передачи информации при ограничении величины максимальной мощности.

— Сформулированы основные принципы и разработан алгоритм обобщенной спектральной обработки сигналов.

— Проведено исследование эффективности обобщенной спектральной при воздействии на нестационарный сигнал комплекса помех.

— Разработаны основные принципы новой технологии передачи информации — технологии сверхширокополосного доступа (ТСД).

— Получены результаты исследования помехоустойчивости ТСД в сравнении с технологией ADSL.

— Осуществлено математическое моделирование передачи сообщения с помощью технологии сверхширокополосного доступа по абонентской линии телефонной сети.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

— Разработан метод обобщенной спектральной обработки (ОСО) нестационарных сигналов на выходе абонентской линии, позволяющий эффективно бороться с сильными помехами. Применение ОСО позволяет значительно повысить помехоустойчивость технологий передачи информации.

— Разработаны принципы технологии сверхширокополосного доступа, позволяющей осуществлять передачу информации по абонентским линиям телефонной сети с большей, чем позволяют существующие технологии, скоростью.

— Применение цифровых несущих и цифровой обработки в ТСД исключает необходимость использования устройств частотной фильтрации и формирования сигналов, что позволяет создать полностью цифровое оборудование для абонентского доступа по проводным линиям.

На защиту выносятся следующие положения:

— Для организации абонентского доступа в проводной системе передачи в качестве несущих функций могут использоваться цифровые сигналы, форма элементов которых определяется переходным процессом в линии связи.

— Последовательная обобщенная цифровая обработка в спектральной области принятого цифрового сигнала позволяет эффективно бороться с сильными помехами.

— Разработанная технология сверхширокополосного доступа на базе использования цифровых несущих функций позволяет передавать информацию по абонентским линиям с большой скоростью.

— Результаты математического машинного моделирования разработанной технологии сверхширокополосного доступа подтверждают результаты расчетов помехоустойчивости и скорости передачи информации.

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Проведено исследование характеристик проводной абонентской линии, в соответствии с результатами которого были разработаны две математические модели, описывающие влияние линии на сигнал.

2. Показаны основные достоинства использования цифровых несущих по сравнению с аналоговыми. Доказано, что модулируемые параметры функций Уолша позволяют использовать их для многоканальной передачи.

3. Решена задача синтеза оптимальной формы элемента сигнала, позволяющего максимизировать скорость передачи информации. Проведено исследование формы сигнала на входе линии при различных значениях параметров линии. Найдено решение для упрощения формирования сигнала на входе линии путем проведения предварительного дифференцирования сигнала.

4. Разработаны основные принципы работы технологии сверхширокополосного доступа. Найден практический метод формирования сигнала на входе линии, для удовлетворения условий задачи синтеза сигнала. Проведена оценка энергетических потерь и потерь ортогональности в линии при использовании ортогональных цифровых несущих на входе.

5. Доказано, что применение спектрального анализа сверхширокополосных сигналов в базисе цифровых функций имеет ряд преимуществ по сравнению со спектральным гармоническим анализом. Обобщены существующие методы борьбы с сосредоточенными помехами, проведено исследование спектрального представления сигналов в различных базисах и сформулированы принципы обобщенной спектральной обработки. Определены базисные пространства, спектральная обработка смеси сигнала и помех в которых позволяет проводить оптимальное ограничение помех.

6. Проведено исследование и разработан алгоритм обобщенной спектральной обработки смеси сигнала и помех. Доказано, что последний этап обобщенной спектральной обработки соответствует оптимальной фильтрации сигнала.

7. На этапах обобщенной спектральной обработки для преобразования спектра сигнала из одного базиса в пространство с другим базисом были использованы полученные матрицы ядер Фурье, характеризующие взаимосвязь различных базисов.

8. Проведено исследование и получены зависимости, отражающие влияние параметров линии связи и параметров несущего сигнала на помехоустойчивость передачи. Полученные результаты доказывают, что для передачи информации по абонентским линиям могут использоваться цифровые несущие функций Уолша, а необходимое значение сигнал/шум на входе приемного модема может быть легко достигнуто за счет увеличения энергетики сигнала путем расширения его базы. Показано, что значение длительности элемента сигнала может достигать достаточно малых значений при соблюдении необходимого уровня помехоустойчивости, что позволит обеспечить высокую скорость передачи информации.

9. Доказана эффективность использования абонентских линий для передачи информации с высокой скоростью при сохранении качества передачи на фиксированном уровне. Использование технологии сверхширокополосного доступа позволяет применять в линиях сигналы низкого (шумоподобного) уровня. Формирование и обработка таких сигналов технически проще большинства аналоговых систем, основанных на использовании аналого-цифровых сигналов, так как свободна от частотной фильтрации.

Заключение

.