Содержание к диссертации
Введение 4
1 Исследование основных характеристик телевизионной сети общего пользования 16
1.1. Постановка задачи 16
1.2. Построение математической модели для описания структуры сети 16
1.3. Вывод расчетных соотношений для определения пропускной способности комбинированной линии связи 21
1.4. Разработка алгоритма для описания трафика сети 25
1.5. Оценка качества обслуживания сообщений 28
1.6. Выбор стратегии развития сети 32
Выводы 39
2 Разработка процедуры синтеза локальной сети кабельного телевидения.. 41
2.1. Постановка задачи 41
2.2. Анализ исходных данных для расчета основных характеристик сети... 41
2.3. Обоснование выбора,метода коммутации 46
2.4. Построение алгоритма расчета стоимости сети 51
2.5. Оценка качества обслуживания 55
2.6. Математическая формулировка задачи синтеза интегральной сети 64
Выводы 70
3 Исследование методов повышения пропускной способности линий связи комбинированной локальной сети кабельного телевидения 71
3.1. Постановка задачи 71
3.2. Построение математической модели волоконно-оптической линии связ для сети кабельного телевидения 74
3.3. Анализ влияния искажений и помех на пропускную способность одново локонных дуплексных линий связи 88
3.4. Разработка алгоритма оптимизации параметров волоконно-оптической линии связи 106
Выводы 115
4 Оценка эффективности комбинированной локальной сети кабельного телевидения на примере г. Бейрута 117
4.1. Постановка задачи 117
4.2. Построение алгоритма нахождения минимального среднего времени задержки сообщений в сети с кроссовой коммутаций каналов 117
4.3. Построение алгоритма нахождения минимальной стоимости сети с коммутацией пакетов 128
4.4. Оценка эффективности алгоритма синтеза гипотетической интегральной сети кабельного телевидения и передачи данных 132
4.5. Разработка рекомендаций по внедрению локальной сети кабельного теле видения 140
Выводы 141
Заключение 143
Литература 146
Приложение 152
Введение к работе
Актуальность темы. В современном обществе существенно возросла роль информации. Информационная структура страны и интеллектуальный уровень ее населения наряду с природными и технологическими возможностями в значительной степени определяют положение государства в мировом сообществе, его оборонный и промышленный потенциал.
В нынешних экономических условиях "лобовое" решение проблемы информатизации Ливана, т.е. создание в сжатые сроки (3-5 лет) информационной структуры на уровне высоко развитых стран, потребует вложения огромных денежных средств и поэтому практически неосуществимо. В то же время, если задача информатизации Ливана не будет решена в ближайшие годы, то это может привести к полной дезинтеграции из мирового сообщества, самоизоляции, стремительному увеличению отставания от про-мышленно развитых стран. Кроме того, даже при наличии определенной суммы денежных средств, но при развертывании информационных сетей зарубежными фирмами все информационные потоки в Ливане могут попасть под полный контроль зарубежных фирм с возможностью полного блокирования этих потоков из-за рубежа, что могло бы иметь катастрофические последствия для экономики и обороноспособности страны. Поэтому чрезвычайно актуальной остается задача разработки ливанской концепции развития современных информационных технологий, в том числе создание цифровых сетей интегрального обслуживания (ЦСИО) населения страны. При этом данная концепция должна быть реализована в короткие сроки в условиях крайне ограниченных материальных ресурсов на основе дальнейшего развития существующей сети эфирно-кабельного телевидения.
Основные направления развития национального телевещания изложены в постановлении № 7997 от 29.02.96. Министерства Информации Ливана [1].
Как указывается в этом документе, в процессе построения и эксплуатации телевизионных систем могут участвовать как государственные структуры, так и частные компании. При этом организации, занимающиеся обеспечением телеинформацией населения страны, обязаны выполнять следующие требования: • обеспечить защиту прав и свободы личности;
• способствовать развитию различных областей культуры и техники с учетом национальных особенностей и традиций;
• производить выпуск телевизионных программ на современном технологическом уровне;
• участвовать в конкурентной борьбе на основе свободы и равноправия, не нарушая законы страны;
• не допускать трансляцию программы, наносящей вред экономическим, политическим и оборонным интересам страны;
• не участвовать в создании программ, способствующих разжиганию межрегиональных и межнациональных розней в обществе.
В условиях Ливана построение ЦСИО является сложной задачей. Высокие темпы развития средств связи, новые научно-технические решения и рекомендации международных организаций в области связи требуют обоснованного выбора оптимального варианта структуры сети, принципов коммутации и методов передачи сигналов, кана-лообразующей и коммутационной аппаратуры. Далее, необходимо учитывать наличие в стране квалифицированных кадров, строительных возможностей, а также существующий уровень развития всей страны в целом, т.к. внедрение принципиально новой техники требует высокой степени организации работы всех предприятий, ведомств и учреждений.
В последние годы в Ливане появилось большое количество транснациональных компаний, предоставляющие населению страны телевизионные услуги на хорошем уровне специализации, довольно быстро и относительно дешево. Предложения этих компаний по развитию телевизионной сети общего пользования (ТВ-ОП) кажется на первый взгляд интересными и перспективными. Однако для выполнения тех или иных заказов эти компании должны располагать определенными данными, которые могут быть использованы для подрыва суверенитета и национальной безопасности страны.
В связи с этим обстоятельством правительство Ливана в последнее время пересмотрело принципы своей лицензионной политики в области телевизионного вещания. Оно сохранило лицензии только нескольким крупным иностранным компаниям и создало необходимые предпосылки для образования национальных акционерных обществ в области информатики. Так, например, в [1] указаны следующие юридические, организационные и финансовые условия:
• акционеры общества должны быть ливанцами;
• в Уставе общества должно быть отмечено, что при продаже акций общества необходимо разрешение Правительства Ливана;
• регистрация общества производится только при наличии документа, подтверждающего способность акционеров оплатить все расходы первого года работы;
• директор и начальник цеха должны быть ливанскими гражданами, проживающими в Ливане более десяти лет.
Приведенные выше положения подтверждают интерес Правительства Ливана к развитию службы информации страны с широким использованием национальных кадров.
Как указывалось выше, построение ЦСИО на основе новых информационных технологий в условиях Ливана является сложной задачей. Решение данной задачи возможно на основе прогрессивных методов коммуникации и сотрудничества. Однако реализация этих методов на ограниченных территориях вполне осуществима. В настоящее время рынок систем связи полностью открыт для проникновения новых информационных услуг. При этом эксплуатационные компании связи должны учитывать, что эволюция спроса на такие услуги очень далека от возможных предсказаний. С учетом данного обстоятельства сеть большого города, например, такого как столица Ливана - Бейрут, с ее растущими потребностями в новых услугах связи и повышением качества предоставляемых информационных услуг, является идеальным полигоном для внедрения и испытания информационных технологий. Именно в больших городах возможно испытание опытных широкополосных ЦСИО перед тем, как распространить их на более широкие географические регионы. Таким образом, внедрение широкополосной цифровой сети интегрального обслуживания в условиях г. Бейрута обусловлено необходимостью создания хорошей базы для дальнейшего развития прогрессивных информационных технологий и распространения этих технологий на всей территории страны.
Цель и задача исследования. Задачей настоящей диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование физических процессов в одно-волоконных оптических линиях связи при распространении по ним оптических сигналов с целью создания метода повышения эффективности использования данных линий связи в комбинированной локальной сети (ЛС) кабельного телевидения (КТВ) (на
примере г. Бейрута) и разработка рекомендаций по внедрению в условиях развивающихся стран на основе сетей эфирно-кабельного телевидения общего пользования (ТВ-ОП) прогрессивных информационных технологий, обеспечивающих возможность интеграции различных служб связи, в частности, телевизионного вещания (ТВ-В) и передачи данных (ПД).
Состояние вопроса. Развитие вычислительной техники, а также систем цифровой передачи и коммутации, привели к радикальному изменению требований к сети связи, ее структуре, алгоритму обслуживания пользователей, перечню услуг, предоставляемых пользователям [2]. При этом быстрое развитие новых служб связи (факсимильная связь, передача данных, видеотекст, передача изображений и др.) привело к созданию нового типа сетей - интегральных сетей связи (ИСС), способных передавать информацию любого вида. Однако пути создания ИСС определяются, как указывалось выше, уровнем развития технологии и элементной базы в области электротехники и электроники в данной стране. Поэтому процесс развития существующих сетей связи (например, телефонных, телеграфных, передачи данных и др.) и их эволюция к интегральным сетям существенно отличается для высокоразвитых и развивающихся стран [7,8,9,10,11,12,13,14,15,16]. Характерной особенностью направлений развития цифровых сетей интегрального обслуживания на базе цифровых телефонных сетей и сетей передачи данных Х.25 [7,8,9,10,11,13]. При этом этапами создания ЦСИО является перевод аналоговых телефонных сетей на цифровые [19], создание общегосударственной сети ПД [13,20,21,22] и затем создание интегральной сети для передачи всех видов информации по волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС) [7,8,9,13,23]. Основными вопросами при создании ЦСИО в высокоразвитых странах являются выбор:
• вида и количества интегрируемых служб связи;
• метода коммутации и оценки качества обслуживания сообщений в сети;
• элементной базы и программного обеспечения;
• математической модели сети для разработки синтеза такой сети.
Так, например, создаваемая в настоящее время ЦСИО Японии [13] предоставит пользователям услуги трех служб связи телефонии (ТФ), факсимиле (Ф) и передачи данных (ПД). Предполагаемый метод коммутации на такой сети - метод коммутации пакетов. Технологическая реализация ЦСИО основывается на БИС, волоконной оптике и программном обеспечении. Передача информации будет осуществляться по волокон но-оптическим линиям, кабельным линиям и по каналам спутниковых систем связи. Габариты разрабатываемого корпорацией NTT (Япония) цифрового коммутационного оборудования в 2 раза меньше электронно-аналогового и в 10 раз меньше координатного. В ЦСИО будут применяться ЭВМ шестого поколения. В качестве основной оценки качества обслуживания сообщений в такой сети предполагается использовать характеристику ошибок в цифровом канале [14,15]. Дальнейшее развитие ЦСИО предоставит пользователям услуги других служб связи (телевидение, радиовещание, видеотекст и т.д.). Испытания прототипа ЦСИО начаты в 1984 году.
Характерной особенностью развивающихся стран и стран с ограниченным экономическим потенциалом является необходимость внедрения новых служб связи при низком уровне развития существующих служб связи и ограниченных ресурсах страны [15,16,26,27]. Для решения этой проблемы в принципе имеется два пути: либо пойти на сотрудничество с зарубежными фирмами капиталистических стран, предоставив им возможность самостоятельно решать тарифные, финансовые, кадровые вопросы и вопросы инвестиционной политики [12,16], либо самостоятельно развивать технико-экономическую базу для усовершенствования существующих видов связи и внедрения новых на основе поиска оптимальных технических решений и использования имеющихся резервов [12]. Первый путь решения указанной выше проблемы, как отмечалось ранее, приводит к подрыву суверенитета и независимости страны. Второй путь является сложным. Так, например, в связи с экономической реформой в ПНР к настоящему времени возросла потребность в новой службе связи - службе ПД [12]. Развитие микроэлектроники в ПНР и других странах позволило приступить к созданию соответствующей интегральной сети телеграфии (ТГ) и ПД. С учетом условий развития ПНР была разработана методика проектирования оптимальной интегральной сети для телеграфии и передачи данных [17] в качестве метода коммутации в такой сети предполагается использовать метод кроссовой коммутации каналов или метод коммутации пакетов [81,82]. Проектирование сети предполагается вести, исходя из иерархической 2-уровневой структуры, в которой на нижнем уровне находятся оконечные станции, а на верхнем - узловые станции. Возможен также вариант "псевдодвухуровневой" сети, в которой роль оконечных станций будут выполнять мультиплексоры. В [17] приводятся приближенные расчеты параметров сети (объем линии и стоимость) в зависимости от исходных данных (структуры сети, емкости сети, параметров трафика, средних длин:
абонентской линии, линии от оконечной станции к узлу и линии между узлами). Рассмотрен вопрос оценки качества обслуживания. Вышеизложенная методика проектирования интегральной сети ТГ и ПД содержит следующие недостатки:
• малое количество уровней структуры сети;
• неоднозначность в выборе метода коммутации;
• отсутствие алгоритма синтеза интегральной сети;
• приближенный расчет характеристик качества обслуживания не учитывает основной особенности обслуживания сообщений - наличия повторных попыток на установление соединения между абонентами, обусловленных абсолютной настойчивостью абонентов сети.
Приведенный выше анализ позволяет сформулировать предмет исследования диссертационной работы.
Предметом исследования являются волоконно-оптические линии связи, сеть КТВ и вопросы, связанные с исследованием метода повышения эффективности использования волоконно-оптических линий связи в комбинированной локальной сети кабельного телевидения, необходимые для разработки интегральной ЛС КТВ и ПД в условиях г. Бейрута.
Основные из этих вопросов следующие:
1.Построение математической модели ВОЛС для описания процессов распространения оптических сигналов при организации дуплексной связи со спектральным разделением каналов на локальной сети кабельного телевидения.
2.Разработка методов расчета мощности переходных помех и величины искажений оптических сигналов, передаваемых по ВОЛС для ЛС КТВ при организации одноволоконной дуплексной связи со спектральным разделением каналов.
3.Разработка стратегии внедрения новых информационных услуг в условиях развивающихся стран, заключающаяся в выборе интегральной сети, метода коммутации, характеристик качества обслуживания и оценки эффективности соответствующей сети.
4.Создание математической модели для анализа процесса обслуживания сообщений в ЛС КТВ с центрами коммутации пакетов (ЦКП).
5. Разработка алгоритма синтеза ЛС КТВ с ЦКП и интегральной сети КТВ и ПД.
6. Разработка рекомендаций по построению интегральной сети КТВ и ПД в условиях г. Бейрута.
Структура диссертационной работы определяется методикой решения задачи внедрения прогрессивных информационных технологий в условиях развивающихся стран. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения, содержит 124 страниц текста, 24 рисунка, 2 таблицы, список литературы - 85 наименований, приложение 5; всего 176 страниц.
В первой главе проведен анализ существующей телевизионной сети общего пользования. В результате проведенного анализа установлена взаимосвязь технико-экономических параметров службы ТВ-ОП с сетевыми характеристиками существующей телевизионной сети и получены соответствующие соотношения. Исследование данных характеристик позволило осуществить выбор стратегии развития существующей телевизионной сети. Суть данной стратегии заключается в построении интегральных ЛС КТВ и ПД.
Во второй главе рассмотрены вопросы, связанные с разработкой методики расчета основных характеристик ЛС КТВ. Разработанная методика включает в себя следующие этапы:
• выбор исходных данных и метода коммутации;
• построение алгоритмов для оценки качества обслуживания и стоимости сети;
• математическая формулировка задачи синтеза интегральной ЛС КТВ и ПД. Особенностью синтезируемой интегральной сети КТВ и ПД является использование в качестве ветвей магистральной и распределительной сетей волоконно-оптических линий связи.
В третьей главе диссертационной работы проведено исследование методов повышения пропускной способности ВОЛС. В результате проведенных исследований выявлены причины возникновения искажений и помех в волоконно-оптических линиях связи, разработана математическая модель ВОЛС для сети КТВ и предложена методика оптимизации пропускной способности ветвей на такой сети.
В четвертой главе проведена оценка эффективности использования комбинированной ЛС КТВ при построении интегральной сети КТВ и ПД на примере г. Бейрута. На основе разработанных алгоритмов нахождения минимального среднего времени задержки сообщений в существующей сети ТВ-ОП с кроссовой коммутацией каналов и минимальной стоимости проектируемой ЛС КТВ с коммутацией пакетов получены основные ограничения для решения задачи синтеза интегральной комбинированной сети ЛС КТВ. Оценка эффективности внедрения интегральной сети ЛС КТВ дана на примере расчета соответствующих параметров гипотетической сети, с характеристиками близкими к характеристикам реальной сети ТВ-ОП г. Бейрута. На основании проведенных расчетов разработаны соответствующие рекомендации по внедрению интегральной ЛС КТВ и ПД в условиях г. Бейрута.
В заключении сформулированы основные выводы, вытекающие из результатов диссертационной работы, и рассмотрены возможности применения разработанных методов при построении интегральных сетей.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем.
Разработана методика повышения эффективности использования волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) в комбинированной локальной сети кабельного телевидения (ЛС КТВ) и интегральной сети КТВ и передачи данных (ПД) на основе применения одноволоконных двунаправленных линий связи со спектральным разделением каналов, а именно:
- на основе теории связанных мод разработана математическая модель для описания процесса передачи сигналов при организации одноволоконнои системы дуплексной связи со спектральным распределением каналов. Данная модель позволяет наиболее полно учитывать физические эффекты, вызывающие помехи и искажения оптических сигналов в ВОЛС для вышеуказанных систем связи;
- предложен метод определения величины собственных помех, обусловленных взаимодействием вперед распространяющихся мод одного канала с назад распространяющимися модами другого канала;
- выведены формулы для расчета величины дополнительных потерь, обусловленных взаимодействием между излучаемыми и направляемыми модами разнонаправленных каналов связи;
- предложены методы решения задачи оптимизации параметров одноволоконнои двунаправленной линий связи в двух постановках:
- достижение предельно-допустимой пропускной способности каждого канала при заданной длине регенерационного участка;
- получение предельно допустимой длины регенерационного участка при заданных значениях пропускной способности каждого канала.
Разработана методика построения комбинированной ЛС КТВ и интегральной сети КТВ и ПД, а именно:
- разработана стратегия внедрения перспективных информационных технологий в условиях развивающихся стран;
- предложена единая оценка качества обслуживания для сетей с различными видами коммутации - среднее время задержки сообщений в сети;
- разработан метод расчета среднего времени задержи в сети, учитывающий абсолютную настойчивость абонента и ограниченность пропускной способности абонентов сети;
- предложен метод синтеза интегральной сети КТВ и ПД, обеспечивающий минимальный риск, связанный с использованием дополнительных капиталовложений на внедрение службы ПД.
Основные практические результаты диссертационной работе заключаются в следующем:
1. Разработан алгоритм и составлены программы для оценки мощности искажений и помех в одноволоконной двунаправленной линии связи при организации дуплексной связи со спектральным разделением каналов. Использование данного алгоритма и программ позволило учесть влияние собственных помех и искажений при распространении оптических сигналов в одноволоконной двунаправленной линии связи, в частности, определить мощность помех, обусловленных взаимодействием распространяющихся мод разнонаправленных каналов связи и величину дополнительных потерь из-за взаимодействия между излучаемыми и направляемыми модами этих каналов.
2. Предложены алгоритмы оптимизации параметров одноволоконной двунаправленной линии связи для двух вариантов целевой функции:
- длины регенерационного участка;
- величины пропускной способности канала связи.
Указанные алгоритмы позволили реализовать соответствующий метод повышения эффективности использования волоконно-оптических линий на локальной сети КТВ и интегральной сети КТВ и ПД.
3. Получены экспериментальные данные оценки качества приема телевизионных сигналов на существующей сети эфирно-кабельного телевидения г. Бейрута. Обработка и анализ полученных данных позволило разработать соответствующие рекомендации по изменению структуры существующей сети телевизионного вещания путем внедрения локальных сетей кабельного телевидения.
4. Выведены формулы для расчета среднего времени задержки сообщений в сети с центрами коммутации пакетов. На основе полученных формул разработана программа синтеза с центрами коммутации пакетов. Использование этой программы дает возможность вырабатывать рекомендации по повышению качества обслуживания абонентов за счет оптимального выбора пропускных способностей линейного тракта на данной сети.
5. Получены оценки интенсивностей потоков информации для двух видов сетей: телевизионной сети общего пользования и сети передачи данных. Использование этих оценок позволило провести выбор гипотетической сети с характеристиками близкими к характеристикам реальной сети и на основе выбранной сети осуществить апробацию метода синтеза исследуемых сетей.
6. Разработаны алгоритмы и составлены программы для расчета задачи синтеза интегральной сети КТВ и ПД. На основе расчетов проведенных по этим программам выбраны рекомендации по построению базы интегральной сети в условиях г. Бейрута.
Результаты диссертационной работы, а именно: полученные аналитические решения для мощности переходных помех и искажений в одноволоконной дуплексной линии связи со спектральным разделением каналов, разработанные математические модели, предложенный алгоритм синтеза комбинированной локальной сети кабельного телевидения - использованы в плановых научно-исследовательских работах предприятий (АО "СОВИНТЕЛ", АО "УПТ"), занимающихся исследованиями и разработкой волоконно-оптических линий и кабелей связи, что подтверждается актами.
К защите представляются следующие основные положения.
1. Наиболее перспективным методом повышения эффективности использования волоконно-оптических линий связи для локальных сетей кабельного телевидения является метод повышения пропускной способности линий связи за счет создания одново-локонного двунаправленного линейного тракта со спектральным разделением каналов.
2. Математическая модель для описания процесса передачи сигналов по одноволоконной двунаправленной линии связи при организации системы дуплексной связи со спектральным разделением каналов должна учитывать ряд дополнительных факторов, влияющих на пропускную способность линейного тракта:
- потери, обусловленные взаимодействием между излучаемыми и направляемыми модами разнонаправленных каналов связи;
- собственные помехи, обусловленные взаимодействием вперед распространяющихся мод одного канала с назад распространяющимися модами другого канала.
3. Выбор критерия оптимизации параметров одноволоконной двунаправленной линии связи должен производиться в зависимости от поставленной практической цели:
- достижение предельно допустимого значения пропускной способности каждого канала для повышения технико-экономической эффективности использования линии связи на сети без изменения ее структуры;
- получение допустимой длины регенерационного участка при проектировании новых линий связи с возможным изменением структуры сети.
4. Корректная оценка эффективности использования волоконно-оптических линий связи в комбинированной локальной сети кабельного телевидения и интегральной сети кабельного телевидения и передачи данных может быть получена только на основании результатов синтеза данных сетей. В процессе синтеза указанных выше сетей определяется оптимальные значения пропускных способностей линий связи при выборе в качестве критерия оптимальности оценки качества обслуживания сообщений в сети. Использование данного критерия позволяет наиболее полно учесть назначение линий связи. Сравнение полученных таким образом оптимальных значений пропускной способности каналов с предельно допустимыми, дает возможность корректно оценить эффективность использования линий связи в сети.
5. Стратегия внедрения прогрессивных информационных технологий в условиях развивающихся стран должна осуществляться с помощью интеграции создаваемого вида службы связи с существующим видом, имеющим стабильную нагрузку. Такой путь обеспечивает минимальный риск от использования дополнительных капиталовложений при внедрении нового вида службы связи.
6. Использование единой оценки качества обслуживания сообщений для сетей с различными видами коммутации - среднее время задержки сообщений в сети, позволяет осуществить синтез таких сетей на основе единого критерия оптимальности и осуществить корректную постановку задачи построения интегральной сети для внедрения дополнительных информационных услуг.
7. Математическая модель сети для расчета среднего времени задержки в сети с центрами коммутации пакетов позволяет учесть абсолютную настойчивость и ограниченность пропускной способности абонентов сети, ограниченный объем памяти и производительности центров коммутации пакетов. Учет перечисленных выше факторов улучшает адекватность разработанной модели с соответствующей ей реальной сетью.
8. Алгоритм синтеза интегральной сети кабельного телевидения и передачи данных использует метод построения последовательности планов, позволяющий учесть дискретный характер оптимизированных параметров сети и имеющий высокую вычислительную эффективность.
