Введение к работе
Актуальность проблемы. Эффективность управления
телекоммуникационной инфраструктурой на базе современных
информационных, технологий требует создания мультисервисных сетей
телекоммуникаций' общего пользования (СТОП) и телематических служб
(ТМСл), образованных терминалами многофункционального и
интеллектуального типа с повышенной пропускной способностью.
В настоящее время одним из основных стратегических направлений развития и технической политики МСЭ-Т (Международный союз электросвязи по телекоммуникациям) является интеграция телекоммуникационных систем (ТС) и их технических средств (рекомендации ITU-T 1.100+1.600) для передачи и приема неоднородного трафика. Эта задача решается путем создания многофункциональных и интеллектуальных терминальных комплексов (ТК). Такие комплексы должны создаваться на основе функционально-блочных систем (модемы, шлюзы, интерфейсы, концентраторы, терминальные мультиплексоры и элементы управления), представляющие собой объект распределённых систем управления на базе TMN (Telecommunication Management Network).
Повышение требований пользователей к качеству обслуживания и
интенсивный рост неоднородного трафика ставит перед производителем
комплекс вопросов, связанных с созданием эффективных
многофункциональных ТК, обеспечивающих высокую степенью использования канальных и сетевых ресурсов.
Эффективность и помехоустойчивость являются комплексными характеристиками качества функционирования ТС, имеющих в своем составе терминалы многофункционального и интеллектуальпого типа (МФ и ИТ). Они отражают способность системы обеспечивать заданные технические, экономические и эксплуатационные характеристики при выполнении возложенных на нее абонентских и сетевых функций по обмену мультимедийной информацией. Под эффективностью ТК систем телекоммуникаций (СТ), работающих в смешанном режиме подразумевается обеспечение комплекса параметров: пропускная способность (ПС) трактов передачи и приема информационных потоков неоднородного трафика, отказоустойчивость функционирования системы и стоимость аппаратно-программных средств связи. При этом одними из наиболее важных узлов ТС, обеспечивающих высокую достоверность передачи и приема цифровой информации, являются многофункциональные абонентские и сетевые терминалы (МА и СТ), использующие оптимальные приемники с высокой чувствительностью, реализованные на основе цифровых методов приема дискретных электрических и оптических сигналов.
Настоящая работа посвящена решению актуальной и перспективной проблемы - исследованию и разработке многофункциональных абонентских терминалов (МАТ) разных служб на базе современных технологий, разработке методов повышения их помехоустойчивости и эффективности с
использованием эффективных алгоритмов сжатия данных, их анализу и оптимизации, с целью удовлетворения требований диктуемых уровнем развития техники связи.
Таким образом, работа посвящена решению важной народнохозяйственной проблемы. Исследования по решению указанной проблемы проводились в рамках выполнения НИР, в том числе: "Исследование путей улучшения технико-экономических параметров и создание научно-технического задела для разработки узлов перспективных электронных телеграфных аппаратов" (Гос. Per. № 01880010978, № 01860024339).
Цель работы. Основной целью диссертационной работы является разработка методов и средств повышения качества функционирования ТК СТ на основе функционально-модульных систем, путем теоретического обобщения и практического решения проблем улучшения их эффективности и помехоустойчивости с использованием современных технологий для управления передачей неоднородного трафика
Объектом исследований диссертационной работы являются многофункциональные ТК на основе функционально-модульных систем, использующих современные телекоммуникационные технологии, а предметом исследований - математические модели, методы и средства повышения качества функционирования ТК СТ при совместном обслуживании и управлении передачей неоднородного трафика.
Состояние проблемы и задачи исследования. Среди ученых стран СНГ
и других зарубежных стран, занимающихся проблемами повышения эффектив
ности и помехоустойчивости СТ и их технического обеспечения, можно выде
лить работы В.А.Котельникова, Г.П.Захарова, В.П.Бакалова, Н.БЗелигера,
В.П.Шувалова, Ю.Н.Золотухина Л.М.Финка, В.Н.Гордиенко, Ф.Г.Мамедова,
О.С.Чугреева, В.О.Шварцмана, В.А.Игнатова, В.Г.Хорошевского,
Г.Я.Шайдурова, АН.Гасанова, Н.В.Захарченко, П.Беккера, ИАУшакова, АБ.Мархасина, Э.АЯкубайтиса, Г.КІеіпгоск, K.Shennon, O.Serlin, D.Ting, M.Schwartz и др.
В задачах повышения эффективности элементов и устройств вычислительной техники и систем управления ТС важные результаты получены в работах Б.П.Терентьева, В.В.Губарева, В.К. Попкова, С.И.Сахарчу-ка, В.Н.Четверикова, Т.М.Алиева, В.С.Шибанова, Н.Г.Фарзане, В.В.Лебедянцева, В.П.Дьяконова, КМ.Имамвердиева, Р.Т.Гумбатова, Б.Я.Рябко, В.К.Трофимова, J.Grabner, J.Wieselman и др.
Однако, в работах перечисленных выше авторов недостаточное внимание уделено разработке многофункциональных ТК, предназначенных для обмена разнородными сообщениями.
В соответствии с вышеизложенным в диссертационной работе были поставлены и решены следующие основные задачи:
1. Осуществлены анализ качества функционирования, состояния разработки и тенденций развития современных ТК СТ, систематизация основных харак-
теристик их эффективности и помехоустойчивости, обозначены пути их повышения;
2. Разработаны многофункциональные; документирующие терминалы с
применением быстродействующего дискретного электропривода (ДЭП) на базе
шаговых двигателей (ШД);
3. Научно обоснованы и разработаны методы повышения быстродействия
и средней производительности AT для передачи и приёма информации
смешанного типа (ИСТ);
Предложены принципы построения многофункциональных ТК для совместной передачи речевого и неречевого трафика с использованием эффективных алгоритмов сжатия и интегральных мультиплексоров;
Предложен метод расчета количественной оценки качества отпечатков ИСТ, проанализированы способы минимизации избыточности при передаче неоднородного трафика в виде пакетов и эффективность алгоритмов сжатия данных, использованных для повышения потенциальных возможностей многофункциональных AT;
Разработаны математическая модель потока ошибок в МА и СТ при наличии различных помех и метод квазиоптимального приема двухградационных сигналов графической информации (ГИ);
7. Предложены методы и средства повышения помехоустойчивости
оптических AT оптоэлектронного КС, определена средняя вероятность битовых
ошибок приема с учетом энергетического потенциала ВОЛС при изменении
битовых скоростей передачи;
Разработаны методы и модели повышения эффективности передачи и обслуживания неоднородного трафика многофункциональным ТК, использующим современные технологии передачи.
Исследованы модели и методы повышения отказоустойчивости систем передачи, учитывающие характеристики надежности и достоверности функционирования многофункциональных ТК;
10. Определена рациональная область применения и внедрения
полученных в работе научных результатов в практику создания ТС,
образованных ТК различного назначения;
Методы исследования. Для решения поставленных задач используется аппарат математического анализа, теории вероятностей и математической статистики, теории распределения информации, теории цепей Маркова, теории надежности и теории информации. Полученные теоретические результаты подтверждены как методом машинного моделирования, так и экспериментально.
Основные положения, выносимые на защиту: результаты теоретических исследований и разработка методов повышения качества функционирования ТС на основе новой системной элементной базы - многофункциональных ТК, использующих современные технологии передачи;
- разработка анализирующих и синтезирующих устройств (АУ, СУ)
терминала, работающего в смешанном режиме с применением ДЭП на базе
ШД для систем документальной электросвязи;
принципы построения и алгоритмы управления многофункциональными AT, использующими алгоритмы сжатия данных, методы и средства повышения быстродействия и средней производительности терминала;
разработка способов перекрытия соседних точек для повышения качества отпечатков графических и буквенно-цифровых документов;
математическая модель потока ошибок в МА и СТ, базирующейся на динамике качества приема и преобразования формы информации;
методы и средства повышения помехоустойчивости ВОЛС, использующих оптические AT на базе высокочувствительных фотодетекторов;
структурная модель процессов интеграции различных видов обслуживания и управления передачей неоднородного трафика на мультисервисной СТОП;
методы расчета отказоустойчивости СТ на базе ТК;
МА и СТ, реализующие результаты теоретических исследований.
Научная новизна работы. В ходе решения основной проблемы в предметной области повышения качества функционирования ТК и сопутствующих им задач, направленных на повышение их эффективности и помехоустойчивости, получены следующие новые научные результаты:
1. Развиты основы теории терминального оборудования
телекоммуникационных сетей на базе многофункциональных ТК и методы их
разработки;
2. Разработаны обобщенные модели качества функционирования ТС на ос
нове ТК, отражающие механизм повышения пропускной способности системы,
достоверности передачи и приема дискретных сообщений и отказоустойчивос
ти функционирования системы;
3. Разработан метод расчета временных характеристик системы ДЭС с
переменной размерностью головки АУ и СУ терминала при сканировании и
воспроизведении ИСТ. Предложена эффективная система управления ДЭП на
базе ШД в режиме самокоммутации, обеспечивающая требуемые показатели
пропускной способности при вводе и выводе ИСТ многофункциональных ДТ;
4. Предложены принципы построения и алгоритмы работы многофункцио
нальных ТК, основанные на цифровой обработке сигналов, пакетной
технологии и асинхронного метода мультиплексирования информационных
потоков, выведены аналитические зависимости, оценивающие быстродействие
и среднюю производительность АУ и СУ терминала при различных размернос
тях головки, весовые и вероятностно-временные характеристики (ВВХ)
системы;
5. Разработаны методы и средства создания многофункциональных AT,
использующих современные технологии для совместной передачи
речевой и неречевой информации и показаны пути повышения их эффективности;
6. Предложен новый подход для расчета количественной оценки качества
отпечатков документов многофункциональных ДТ, учитывающий
разрешающую способность по горизонтали и по вертикали головки, обосновано
использование различных дифференциальных алгоритмов кодирования и
алгоритмов интерполяции речевых сигналов при устранении избыточности
неоднородного трафика, влияющих на качество передачи трафика;
Развит и теоретически обоснован метод оптимального приема цифровых сигналов абонентского и сетевого тракта, предложены методы и средства повышения помехоустойчивости ВОЛС с кольцевой топологией на основе высокочувствительных оптических AT оптоэлектронного КС;
Предложена структурная модель процессов интеграции различных видов обслуживания и управления передачей неоднородного трафика и разработаны условия эффективного функционирования многофункциональных ТК при ограниченных ресурсах на мультисерзисной СТОП;
9. Разработана модель отказоустойчивости ТК, учитывающий характерис
тики надежности и достоверности функционирования систем, получены анали
тические выражения для определения количественных и качественных характе
ристик отказоустойчивости блочно-модульных систем (МС);
Новизна полученных результатов защищена одним авторским свидетельством на изобретение СССР, одним патентом Российской Федерации и четырьмя патентами Азербайджанской Республики.
Практическая ценность полученных в диссертационной работе
результатов состоит в следующем:
- предложены физическая структура ТС, использующих МА и СТ,
терминальный элемент управления (ТЭУ) по функциональному назначению;
разработаны документирующие терминалы (ДТ) на базе рациональных систем управления локально-замкнутого ДЭП использующего ТТТД в режиме самокоммутации;
разработаны многофункциональные AT документальной электросвязи с использованием цифрового сигнального процессора, работающие в режиме «текстофакс»;
получены аналитические выражения для инженерного расчета ВВХ сетей телекоммуникации на основе AT при передаче и приеме неоднородного трафика;
разработана структурно-функциональная схема многофункциональных ТК для сетей с технологией ATM;
разработан метод расчета количественной оценки качества отпечатков документа при сканировании и воспроизведении ИСТ многофункциональным AT телеграфного типа;
разработаны схемные решения повышения помехоустойчивости AT с блоком принятия решения, основанные на применении «массы искажений», получены аналитические выражения для вычисления средней вероятности ошибки с учетом параметров МА и СТ;
разработаны передающий и приемный оптоэлектронный модуль (ПОМ и ПРОМ) оптических AT с повышенной чувствительностью;
разработана структурно-функциональная схема ТК для неоднородного трафика с использованием интегрального мультиплексора (ИМ).
Реализация н внедрение результатов работы. Основные результаты теоретических исследований и практических разработок, полученные в работе, были использованы при выполнении хоздоговорных НИР, проводимых в Азербайджанском техническом университете по заказам Калужского научно-исследовательского института телемеханических устройств (КНИИТМУ, 1983* 1987), Калужского завода телеграфных аппаратов (1988-1990 г.) и ПО "АзТЕ-ЛЕКОМ" Министерства связи Азербайджанской Республики (1994-1996 г.) при участии автора в качестве ответственного исполнителя.
Результаты диссертационной работы внедрены в:
Производственном объединении (ПО) "АзТЕЛЕКОМ" Министерства связи Азербайджанской Республики;
Центре международных связей и расчетов Министерства связи Азербайджанской Республики;
Учебном процессе Азербайджанского технического университета;
ПО «Азерпочта» Министерства связи Азербайджанской Республики; -Калужском научно-исследовательском институте телемеханических
устройств, о чем имеются соответствующие акты о внедрении. Подтвержденный актом экономический эффект от внедрения устройства управления терминалов (РТА-80, ОУОД-300) составляет 160 тыс. рублей по уровню цен 1989 г. Кроме того, в целом экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы составляет 230,142 млн. манат уровня цен 2002г.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на совместном заседании кафедр "Электрическая связь", "Информационные сети и системы" и "Узлы связи и системы коммутации" Азербайджанского технического университета, а также на республиканских, всесоюзных и международных конференциях, семинарах, симпозиумах, в том числе:
НТК ВТУЗов Закавказья (г. Тбилиси, 1984); на I Всесоюзной НТК "Методы анализа надежности программного обеспечения вычислительных систем реального времени на основе моделей нечеткой логики и качественных описаний (г. Киев, 1987); на Всесоюзной НТК "Проблемы создания и использования, отраслевых информационно-диспетчерских систем на основе компьютеризации и перспективных средств связи" (г. Москва, 1988); на Всесоюзных НТ семинарах "Качество функционирования и надежности системы автоматической коммутации и сетей электросвязи" (г. Новосибирск, 1988, 1993); на шестом и седьмом Всесоюзном симпозиуме "Проблемы создания преобразователей форм информации" (г. Киев, 1988,1992); на Всесоюзных НТК "Терминальное оборудование и системы передачи информации" (г. Калуга, 1989, 1990); на Республиканской НТК "Первичные преобразователи неэлектрических величин в цифровые коды"
(г. Баку, 1990); на Всесоюзных НТК по электромеханотронике (г. Ленинград, 1987, 1991); на Всесоюзных НТК "Идентификация, измерение характеристик и имитация случайных сигналов" (г. Новосибирск, 1991); на Всесоюзной НК «Интеллектуализация систем управления (Баку, 1991); на Всесоюзных НТК НТО РЭС им. А.С.Попова "Научная сессия, посвященная дню Радио" (Москва, 1992, 1996, 1997, 2000, 2001, 2002); на Всероссийских НТК "Однородные вычислительные системы, структуры, среды и распределенные системы (Москва, 1991, 1995, 1996); Mess Comp*95 Das Forum der Messteknik-Band 9. Network Gm BH. (Wiesbaden, Germany, 1995); на Международной НТК "Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем" (Пенза, 1997); на НТК профессорско-преподавательского состава Аз ТУ с участием представителей производственных, научных и проектных республиканских организаций (Баку, 1982-2003); на Международных НТК "Достижения и перспективы развития радиотехники и связи в республике" (Баку, 1988, 1995, 1998); на Международной НТК "Научные основы высоких технологий" (Новосибирск, 1997); The 2-nd International Conference on Satellite Communications' (Moscow, Russian, 1996); на Международном симпозиуме "Проблемы математического моделирования, управления и информационных технологий" (Баку, 1998); The 2-nd International Conferense Digital - Signal processing and ITS Applications (Moscow, Russian, 1999, 2002,2004); наМеж-дународной научной конференции Информатика-98 "Актуальные проблемы информатики" (Минск, 1998); The problems of Human-Computer Interaction. Proceeding of the Internatio паї Conference (Ulianovsk, Russion, 1999; 2001); на Международных НТК « Современные информационные и электронные технологии» (Одесса, 2001, 2003); на Международной научной конференции «Связисты СПбГУТ и телекоммуникации XXI века» (Санкт-Петербург, 2000); на Международных симпозиумах "Надёжность и качество" (Пенза, 1999, 2000); на Международных конференциях "Телекоммуникационные и вычислительные системы" (Москва, 1998, 1999, 2000, 2001, 2003); на Международных научных конференциях "Цифровая обработка сигналов и её применение" (Москва, 1999, 2002,2004)
Публикации. По результатам исследований и разработок опубликованы 142 работы, в том числе три монографии и четыре брошюры, получены одно авторское свидетельство на изобретение СССР, один патент Российской Федерации, четыре патента Азербайджанской республики. Часть результатов диссертации отражена в 12 отчетах по 8 НИР, в которых автор являлся ответственным исполнителем.
Личный вклад. Основные результаты диссертационной работы получены автором самостоятельно. Внедрение основных научных результатов осуществлялось при непосредственном участии автора, либо при его участии в качестве ответственного исполнителя. Вклад автора в совместные публикации указан в примечаниях к списку опубликованных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 7-й глав, заключения, списка литературы и приложений. Основная часть
работы изложена на 290 страницах, содержит 85 рисунков, 4 таблицы и список литературы из 220 наименований.
