Содержание к диссертации
Введение
Анализ технологий абонентского доступа на ВСС России
1 Состояние и основные направления развития инфокоммуникаций России 6
2 Конвергенция информатизации и телекоммуникаций на современном этапе 8
3 Место сетей доступа в структуре ВСС России 9
4 Технологии широкополосного абонентского доступа на различных средах передачи 12
5 Классификация и сравнительные характеристики семейства технологий широкополосного абонетсткого доступа xDSL 19
6 Анализ особенностей технологии ADSL 26
7 Выбор и обоснование объекта исследований 39
8 Выводы 40
Исследование характеристик телефонных линий связи, используемых для ЦСП-АД ADSL
1 Исследование параметров передачи однородной линии симметрич ного кабеля 42
3 Дифференциальные уравнения однородной симметричной пары 46
4 Падающие и отраженные волны в симметричной паре 50
5 Волновые параметры симметричной пары 53
6 Волновое сопротивление симметричной пары 58
7 Передаточная функция симметричной пары 61
8 Выводы 64
Исследование линии связи adsl, составленных из участков с различающимися первичными параметрами 66
1 Применение А-параметров четырехполюсников для анализа линий связи ADSL 71
2 Аналитическое моделирование линии связи ADSL 11
3 Анализ рассчитанных характеристик абонентской линии 79
4 Выводы 85
Исследование влияния нелинеиностеи в линии связи на качество функционирования аппаратуры ЦСП-АД ADSL
1 Связь качества функционирования аппаратуры ЦСП-АД ADSL с параметрами окружающей среды 87
2 Шумы в линии связи ADSL за счет продуктов нелинейности 93
3 Исследование влияния нелинейных явлений линии связи на качество функционирования аппаратуры ЦСП-АД ADSL 101
4 Выводы 115
Заключение 116
Приложение: программа «ADSLineOl» расчета характеристик абонентской линии ADSL. 120
Список использованных источников
- Конвергенция информатизации и телекоммуникаций на современном этапе
- Дифференциальные уравнения однородной симметричной пары
- Аналитическое моделирование линии связи ADSL
- Шумы в линии связи ADSL за счет продуктов нелинейности
Введение к работе
Связь является одной из наиболее быстро развивающихся частей инфраструктуры общества. Без развития связи невозможен переход от индустриального к информационному обществу во всемирном масштабе.
Переход от индустриального к информационному обществу сопровождается созданием мощных транснациональных информационных компаний, объединением компаний электросвязи и вычислительной техники, объединением (не всегда «бескровным») поставщиков оборудования связи, услуг связи.
Переход от индустриального общества к информационному предопределен экономическими факторами [46].
Техническое и технологическое развитие средств связи идет по следующим направления: увеличение пропускной способности линий связи и резкое снижение удельной стоимости каналов связи, повышение скорости обработки информации и увеличение емкости памяти средств вычислительной техники. Бурное развитие микроэлектроники и программных средств позволяют в настоящее время реализовывать разработчикам оборудования связи портативные абонентские терминалы многофункционального назначения, что в свою очередь позволяет предоставить услуги мультимедиа (речь, текст, данные, неподвижное изображение, видео).
Предоставление услуг мультимедиа, естественно, становится возможным при использовании высокоскоростных методов передачи информации.
Появившиеся в начале 1991г. технологии связи xDSL (digital subscriber line) имеют ряд достоинств, главным из которых является возможность использования для высокоскоростной передачи информации абонентских линий ТфОП. В настоящее время в Российской Федерации количество абонентов ТфОП около 28 миллионов. Новизна и разнообразие технологий xDSL, особенности российских абонентских линий ТфОП (примерно 60-70% линий не удовлетворяют требованиям ОСТ 45. 36-38 по электрическим параметрам) выдвигают задачу исследования характеристик абонентских линий связи на передний план.
Данная диссертационная работа состоит из четырех глав и Приложения, посвящена исследованию методов реализации технологии широкополосного абонентского доступа ADSL на ВСС.
В Главе I работы рассмотрено место сетей доступа в структуре ВСС, технологии широкополосного абонентского доступа на различных средах передачи. Среди технологий широкополосного абонентского доступа семейства xDSL более подробно рассмотрена технология асимметричной DSL (ADSL), избранная предметом исследований.
В Главе II обобщены известные данные по первичным параметрам передачи однородной линии симметричного кабеля. Проанализированы волновые параметры симметричной пары и ее передаточная характеристика.
В Главе III разработана модель линии связи с ADSL в среде программирования Matlab. Для исследования линий связи составленных из участков с различными первичными параметрами, использованы А-параметры четырехполюсников, что позволяет производить анализ характеристик абонентских линий произвольной конфигурации (как однородных, так и неоднородных; с ненагруженными отводами при произвольных первичных параметрах каждого участка линий). Разработанный механизм исследований произвольных абонентских линий связи ADSL позволяет адекватно оценить возможности каждой линии, что особенно ценно при установке оборудования ADSL на абонентские линии.
Результаты математического моделирования абонентских линий связи с ADSL показали высокую степень соответствия калибровочным характеристикам линий связи, приведенным в Рекомендации МСЭ-Т G.992.1. Глава IV диссертационной работы посвящена исследованию влияния нелинейности в линии связи, вызванной закисшими контактами, на качество функционирования аппаратуры ЦСП-АД ADSL.
Рассмотрена связь качества функционирования аппаратуры ЦСП-АД ADSL с параметрами среды распространения. Проанализированы статистические характеристики сигнала DMTADSL. Создана математическая и синтезирована физическая модель нелинейности в линии связи. Разработан и проверен метод локализации нелинейности.
Конвергенция информатизации и телекоммуникаций на современном этапе
Традиционно средства накопления, обработки и передачи информации развивались в рамках двух основных направлений - информатизации и телекоммуникаций. Задачей информатизации являлось решение проблем сбора информации (формирование информационных ресурсов), а также проблем хранения и доступа к информации (базы данных и системы управления базами данных). По направлению телекоммуникаций решались задачи создания, развития и эксплуатации различных линий связи.
По мере развития и расширения применения информационных и телекоммуникационных технологий к концу XX века ярко проявилась тенденция к тесному переплетению методов и средств, используемых в этих сферах. Часто в одной системе или приборе средства информатизации и телекоммуникаций взаимодействуют настолько плотно, что определить область, к которой они относятся, становятся достаточно сложно. Это явление получило название «конвергенция информатизации и телекоммуникаций». В результате появился новый термин «инфокоммуникации».
Инфокоммуникации - комплекс, органически объединяющий современные информационные, компьютерные и телекоммуникационные технологии и реализующие их системы и средства.
Одна из важнейших тенденций на рубеже XX-XXI веков - бурный рост обмена неголосовой информацией. Это обстоятельство, в свою очередь, породило такое явление, как инверсия трафика. Несколько лет назад подавляющая часть сетевого трафика приходилась на телефонию. Объем трафика в течение многих лет рос медленно и предсказуемо. Взрывной рост обмена в таких сетях как Интернет и некоторых других радикально изменил отмеченную ситуацию. Так в ряде стран передача данных уже превзошла речевой обмен или же превысит его в ближайшие годы [60], рис. 1.3.
За период с 1997 по 2003 годы объем мирового трафика по прогнозу фирмы Siemens [60] возрастет в 12 раз.
Стремительное увеличение объемов сетевого трафика влечет за собой серьезные перемены во многих аспектах связи. Структура аналоговой сети электросвязи СССР, сложившаяся в 60-е годы XX века (Единая автоматизированная сеть связи СССР - ЕАСС), в основном сохранилась в современной «ана-логово-цифровой» сети электросвязи России (Взаимоувязанной сети связи Российской Федерации - ВСС).
В старой ЕАСС и в существующей ВСС различают три сетевых уровня. Первый уровень - это уровень первичной сети, второй - уровень вторичных сетей, третий - уровень систем (служб) электросвязи [63].
Основной существующей сети является уровень неспециализированной (универсальной) первичной сети, представляющей собой совокупность узлов и соединяющих их линий передачи. Первичная сеть - это сеть универсальных типовых каналов передачи и сетевых трактов.
Вторичные сети - специализированные; они создаются на базе предоставленных первичной сетью типовых (универсальных) каналов передачи с помощью специализированных узлов и станций коммутации. Таким образом, вторичные сети - это сети специализированных каналов.
Первичные и вторичные сети по территориальному признаку и назначению подразделяются на местные, зоновые, магистральные (для первичной сети) и междугородные (для вторичных сетей).
Местные сети связи - сети электросвязи, образуемые в пределах некоторой территории, имеют протяженность линий передачи, обычно, до 100 км. Линии связи, соединяющие узлы местной сети связи, называют соединительными, а линии между узлом связи (как правило, АТС) и помещением абонента -абонентскими.
Третий уровень - системы электросвязи, специализированные по видам электросвязи, представляют собой комплекс для предоставления пользователям определенных услуг. Системы электросвязи включают в себя соответствующие вторичные сети и ряд подсистем (сигнализации, нумерации и т.п.).
Следует отметить, что трехуровневая модель и соответствующая терминология являются отечественным детищем, не нашедшим широкого распространения в иностранной литературе. Однако, она вполне достоверно отображает архитектуру телекоммуникационных сетей соответствующей фазы развития.
Современная стадия и дальнейшее направление развития телекоммуникационных сетей характеризуется завершением цифровизации и тотальным усилением интеграционных процессов.
Дифференциальные уравнения однородной симметричной пары
Процесс распространения электромагнитной энергии сигналов связи, а равно и распределение тока и напряжения вдоль линии связи являются функциями двух независимых переменных: пространственной координаты , определяющей место наблюдения, и времени t, определяющего момент наблюдения. Пространственной координатой будем считать расстояние, отсчитываемое от места включения источника сигнала ес в симметричную пару.
При условии, что к симметричной паре приложено синусоидальное напряжение е}, напряжение в любом сечении линии связи будет также синусоидальным. Найдем законы изменения амплитуд и фаз синусоидальных колебаний в зависимости от изменения длины линии связи в установившемся режиме.
Чтобы найти напряжение и ток в любой точке линии, рассмотрим произвольный бесконечно малый элемент d, удаленный от ее начала на расстояние , см. рис. 2.4. Обозначим искомые величины на входе элемента, т.е. в точке с координатой = 0 через е3 = f(l, t) и іj = p(l,t). Тогда выражения для напряжения и тока в точке +d можно записать как: е, =f( + d,t) it = p( + d,t)
Напряжение в точке +d изменится на величину падения напряжения на сопротивлении Rdl и индуктивности Ldl, а ток в точке +d уменьшится на величину тока, ответвляющегося через проводимость Gdl и емкость Cdl.
Потери напряжения и тока на элементе dl можно представить в следующем виде: Обозначим комплексные действующие значения напряжения и тока на расстоянии = 0 от начала линии через е} = f(,t) и /7 = ,0.
Возьмем вторую производную по переменной от уравнения (2-1) и подставим в эту производную значение — из уравнения (2-2), получим сле dt дующее линейное дифференциальное уравнение второго порядка: d2e dl2 (2-3) = (R + jcoL)(G + jcoC)e
Аналогично, возьмем вторую производную по переменной от уравнения (2-3) и подставим в эту производную значение - из уравнения (2-1), получаем линейное дифференциальное уравнение второго порядка относительно d2i_ dl2 (R + jcoL\G + j(oC)i_ (2-4) Обозначим квадратный корень из комплексного множителя при е и [ и назовем эту величину коэффициентом распространения.
Таким образом, уравнения (2-3) и (2-4) записываются в виде d2e 2 lf=Y +е ; (2-6) % = r +l (2-7) Получились одинаковые однородные дифференциальные уравнения второго порядка, называемые волновыми уравнениями, характеризующие распространение волн напряжения и тока вдоль линии. Общее решение первого уравнения (2-6) имеет вид: е С + С (2-8) Постоянные интегрирования С, и С2 определяются из граничных условий. Аналогичным образом может быть получено решение волнового уравнения для тока. Важно найти его общее решение с теми же постоянными интегрирования. Ток / проще всего находится подстановкой производной от общего решения (2-7) в уравнение (2-1): i = Г- [Сх -С2е А или і = МсіЄ- -С2е ), (2-8) где Ze = —— волновое сопротивление линии. (2-9) \ G + jcoC
Определим постоянные интегрирования С, и С2, воспользовавшись граничными условиями решения поставленной задачи относительно тока и напряжения в начале линии. Напряжение и ток в начале линии являются известными величинами.
Обозначим их, соответственно, через ег и /;, рис. 2.4
Из уравнений (2-15) следует, что напряжение е_ в каждом данном сечении линии состоит из двух слагаемых, первое из которых, если увеличивать длину линии I уменьшается, а второе слагаемое увеличивается. В данном случае считается, что напряжение е распространяясь вдоль линии от генератора к приемнику, состоит из суммы напряжения падающей волны еп е п и напряжения отраженной волны е0 е1 . Падающая волна возникает вследствие приложенного напряжения на входе линии, а отраженная - вследствие отражения от выходного конца линии. То же самое можно сказать относительно тока. Количественные соотношения между напряжениями, а равно и токами отраженной и падающей волн в пункте отражения, зависят от коэффициента отражения.
Местом отражения является отдаленный конец линии. Определим отношение между напряжениями и, соответственно, токами отраженной и падающей волн в конце линии.
Аналитическое моделирование линии связи ADSL
Сложные электрические цепи могут быть представлены более простыми четырехполюсниками, которые соединены каскадно и параллельно [24]. Абонентскую линию на основе симметричной пары в общем случае можно представить состоящей из множества участков, соединенных каскадно. Каждый участок линии описывается своими А-параметрами, а А-параметры целой абонентской линии находятся путем матричного перемножения матриц А-параметров отдельных участков.
При каскадном соединении четырехполюсников выходные зажимы каждого четырехполюсника соединяются с входными зажимами следующего, а сопротивление нагрузки подключается к выходу следующего звена цепочки [24,25].
Таким образом, для двух четырехполюсников соединенных каскадно входные и выходные токи и напряжения связаны следующими соотношениями [24,25]: Откуда получаем матрицу А-параметров для двух четырехполюсников, соединенных каскадно. An ±12 An 2-12 A" 2-11 A" 2—12 2.21 ±22 Ж.21 2-22 A" 2—21 A"2—22 А А" + А А" А А" + А А" 2-11 2-11 2-12 2— 21 2-11 2—12 12 22 -21 2-11 + 2-22 2—21 21 2—12 + 2-22 2—22
В общем случае четырехполюсники, составляющие цепочечную схему, могут иметь совершенно различные параметры. Однако, как правило, стремятся осуществить согласованное включение отдельных звеньев цепочечной схемы.
При согласованном включении звеньев цепочечной схемы постоянная распространения этой схемы равна сумме постоянных распространения четырехполюсников, составляющих цепочку [24]:
Очевидно, что затухание арез и фазовая постоянная /? равны сумме затуханий и фазовых постоянных отдельных четырехполюсников А-параметры ненагруженного отвода
Иногда абонентская линии может содержать ненагруженный отвод. Нена-груженный отвод вызывает отражение сигнала, что приводит к провалам (неоднородности) передаточной характеристики целой линии.
Ненагруженный отвод можно представить одноэлементным четырехполюсником с параллельной ветвью, рис. 3.5.
Уравнения одноэлементного четырехполюсника с параллельной ветвью в форме А записываются следующим образом: 11= 2+12 или 1 0 е, 1 е?. Ь z ь (3-12) где Z также является входным сопротивлением этого четырехполюсника. Обратимся к выражениям (3-6) и (3-10). е, = ch(]i)e2 + Zesh{yl)l2 L = -e2 + ch{jl)i2 Т.к. в ненагруженном отводе і2=0, то эти выражения можно переписать следующим образом: е} = ch(jd)e2 . _ sh(ji) (3-13) Найдем входное сопротивление ненагруженного отвода: -вх» L ЩТ) _et _ ch{ji)e 2 -cothZe= \ , tanhyfl) е2 (3-14) На основе (3-12) и (3-14) получаем матрицу А-параметров ненагруженного отвода: 1 1 tanh(yl) Входной импеданс, передаточная характеристика и вносимое затухание линии связи ADSL
Зная А-параметры витой пары, можно найти три важнейшие характеристики линии связи, которыми являются входной импеданс, передаточная характеристика и вносимое затухание.
Для нахождения этих характеристик необходимо получить информацию о сопротивлении источника сигнала и сопротивлении нагрузки. На рис. 3.6 показана общая модель линии связи на основе четырехполюсника.
В случае ADSL Zc является параметром передатчика ATU-C, a Z_H - параметром приемника ATU-R. Величины Z_c и Z_H выбирем равными 100 Ом [23,29].
Входное сопротивление линии связи является функцией сопротивления линии и нагрузочного сопротивления, и не является функцией сопротивления источника сигнала. Передаточная характеристика определяется соотношением напряжений на выходе и входе линии.
Вносимое затухание линии является функцией, зависящей от параметров линии, сопротивления нагрузки и сопротивления источника.
Входной импеданс линии связи определяется из системы (3-11) Передаточная функция (Н) определяется из первого уравнения (3-11), с учетом того, что Є.2 е.1 = Ли е2 + А21 i_2 = Аи е2 + Л12 е2 z„ (3-17) Н = р л An AiiZn+An При выводе (3-17) считалось, что сопротивление источника сигнала равно нулю, т.е. Z_c - 0. Если считать, что Z_c 0, то выражения (3-11) примут вид: Є-2сІі=АиІ.2+АігІ2 Li = ±±21 ( 2 т А221_2 с учетом того, что et -- е- Z_ch Выражение для передаточной характеристики примет вид: Н = = % , (3-18) е An ZLH + An + Z-c [Z-H An + An)
Под вносимым затуханием линии связи подразумевается [25] десятикратное значение десятичного логарифма отношения полной мощности, которую непосредственно отдавал бы источник сигнала нагрузке (т.е. при нулевой длине линии) к полной мощности на выходе линии связи, нагружаемой на ZH.
Шумы в линии связи ADSL за счет продуктов нелинейности
Наличие закисных контактов в абонентской линии, обладающих явно выраженными нелинейными свойствами, приводит к нелинейному взаимодействию составляющих спектра канальных сигналов. Результатом этого взаимодействия являются нелинейные искажения и взаимные помехи отдельных подканалов DMTADSL.
Рабочий участок амплитудной характеристики евЬ1Х(евх) абонентской линии связи может быть с достаточной степенью точности описан степенным рядом третьей степени с вещественными коэффициентами: евых = аіевх + а2евх + азе1х ) гДе евхи евь,х мгновенные значения напряжений на входе и выходе линии связи.
Если на вход линии связи, амплитудная характеристика которой евьа(евх) описывается степенным рядом третьей степени, подать косинусоидальное напряжение евх = 11 . cos cot, то напряжение на выходе будет равно евых = а]ивх cos cot + a2U2ex cos2 cot + a3U3x cos3 cot. После тригонометрических преобразований получим евых =U0 + [a]Uex + (3a3U3ex /4)]cos cot - (a2U2ex cos 2cot/2) + (a3U3ex cos 4) (4-1) либо ееых =U0+ U]r cos cot + U2r cos 2cot + U3r cos3cot, (4—2) где Uo - постоянная составляющая напряжения на выходе линии связи; U\r -амплитуда первой гармоники (полезного сигнала); U2r, U3r амплитуда второй и третьей гармоники.
В общем случае при характеристике линии связи, описываемой степенным рядом п-й степени, его члены с четными степенями приведут к появлению только четных гармоник, а члены с нечетными степенями - только нечетных гармоник; причем, наивысший номер гармоник, обусловленный данным членом ряда, определится показателем его степени.
Сопоставляя (4-1) и (4-2) и имея ввиду, что при малой нелинейности, "зК «a,Ueblx получим Uir=a1Uex;U2r=a2V2j2;V3r =a3U3ex/4 .
Коэффициенты нелинейности по второй и третьей гармоникам: К2Г =U2r/Uir = (l/2)(a2/a])Uir;K3r = U3r/lJir = (1/2)( / )11 . В технике многоканальной связи вместо коэффициентов нелинейности по гармоникам широко пользуются величинами затухания нелинейности по гармоникам апГ = 20lg(l/Knr), д[34].
Характерный вид зависимостей а2г и азг от уровня сигнала на выходе нелинейного четырехполюсника представлен на рис. 4.4 [34].
Рп - порог перегрузки (уровень мощности синусоидального сигнала на выходе четырехполюсника, увеличение которого на 1 дБ приводит к повышению уровня мощности третьей гармоники на 20 дБ). С приближением к порогу перегрузки затухания нелинейности с повышением уровня сигнала резко уменьшаются.
При воздействии на линию связи с нелинейностью нескольких гармонических колебаний на ее выходе наряду с гармониками этих колебаний появятся комбинационные колебания, частоты которых будут определяться суммами и разностями частот (и их гармоник) исходных гармонических колебаний ± Ncox ±Ма у, где MYLN целые натуральные числа 0; 1; 2;.... Сумма (N+M) называется порядком нелинейного продукта. В соответствии с этим продукты вида Umcos2cot и Umcos(a x+coy)t называются продуктами второго порядка, а продукты вида Umcos3cot, Umcos(2cox±coy)t и Umcos(a x+a y±coz)t продуктами третьего порядка. Известно [34], что мощности (уровни) гармоник входных сигналов и мощности комбинационных продуктов данного порядка имеют одинаковую зависимость от затуханий нелинейности по гармоникам.
Групповым сигналом принято называть совокупность сигналов в общем (групповом) тракте, передаваемых по отдельным каналам.
Во избежание заметных искажений и взаимных влияний из-за нелинейности линии связи результирующая мощность многоканального сигнала не должна превышать с заданной вероятностью порога перегрузки нелинейной линии связи.
Параметры отдельных сигналов, передаваемых по подканалам ADSL DMT, а следовательно и группового сигнала случайны. Отсюда следует, что решение задачи о загрузке подканалов и о статистике группового сигнала возможно лишь на основе вероятностных оценок.
Поскольку сигналы, передаваемые по отдельным подканалам ADSL DMT можно считать некоррелированными, средняя мощность группового сигнала будет равна сумме средних мощностей сигналов всех подканалов. Таким образом, для определения средней мощности сигнала Рср нужно знать вероятностные оценки средней мощности сигнала в одном из 256 подканале ADSLDMT.
Как известно из теории систем многоканальной связи [34], функция плотности вероятности многоканального сигнала при числе каналов около 300 практически точно аппроксимируется гауссовым распределением, а уровень суммарной средней мощности групповых сигналов не должен превышать согласно [37], +14.5 дБтО или Рс ADSL -1 мВтЮ+14 5110 =28,2мВт. Для сигнала с U2 распределением Гаусса Рс = — , где RH = 100 Ом (для медной линии связи ADSL). Ua = 4PCRH = УІ28,2Х10-3100 = 1,68 В. Рассчитанная величина средней амплитуды напряжения группового сигнала DMT позволяет однозначно определить область аппроксимации нелинейности линии связи ADSL. Задача определения области аппроксимации сводится к нахождению таких пороговых напряжений ±С/иор, вероятность превышения которых сигналом ADSL в цепи с сопротивлением 100 Ом "7 ничтожна мала и равна 10 . Используя интеграл вероятностей [38], получим, что условие выполняется при 5,3Ua =8,9 В.
