Введение к работе
Актуальность проблемы и состояние вопроса. Успешное развитие экономики страны невозможно без развития соответствующей информационной инфраструктуры. Программа экономического развития страны не может рассматриваться как сбалансированная и эффективная, пока в ней не будет уделено должного внимания роли средств связи з развитии нацио -нальной экономики и пока определенный приоритет не будет предоставлен развитию средств связи. Во всех экономически развитых странах связь рассматривается как приоритетная динамично развивающаяся отрасль экономики, отличающаяся высокой наукоемкосгыо, большими размерами инвестиций и опережающими темпами ее развития по сравнению с другими отраслями.
К настоящему времени, несмотря на наметившиеся положительные тенденции развития, связанные с внедрением рыночных отноше- ' ний, отрасль связи нашей страны еще по многим показателям существенно уступает игровому уровню. Одной из важнейших задач отрасли связи на современном этапе-является более полное удовлетворение потребностей населения и народного хозяйства в услугах телефонной связи.
Реализация планов телефонизации в нашей стране осуществляется в условиях острого дефицита кабельной продукции и оборудования систем передачи и коммутации при наличии инфляционных процессов. Все это требует поиска более эффективных методов передачи, позволяющих повысить использование существующих и проектируемых цифровых трактов при минимальных дополнительных затратах, например, за счет сокращения избыточности сигналов. Во всем мире применение ресурсосберегающих технологий рассматривается в качество одного из вакиейшх направлений развития отрасли связи.
Выбор метода эффективной передачи должен определяться свойствами исходного сигнала. Весьма универсальным в отношении ис -пользования для различных видов сигналов в многоканальных системах передачи является метод статистического усреднения по ансамблю, который используется в системах передачи со статистическим уплотнением каналов. В таких системах при формировании группового сигнала учитываются паузы, возникающие при передаче сигналов, неравномерность распределения динамических уровней речи, а также
наличие свободных каналов даже в ЧНН.
Основным достоинством статистических систем передачи, в основном цифровых, является повышение эффективности исгользования цифровых линейных трактов (пря неизменных параметрах ЦЛТ обеспечивается передача большего объема информации). При этом, очевидно, требуется некоторое усложнение оконечного оборудования системы передачи, однако существенное повышение эффективности использования линейных трактов во многих случаях позволяет получить значительный экономический аффект.
Б известной литературе использовалась различная терминология по отношению к статистическим системам передачи. В данной работе в основном будет использоваться термин "цифровая аппаратура статистической концентрации каналов (ЦАСКК)".
3 развитых зарубежных странах, где национальные програшн телефонизации успешно завершены, ЦАСКК в основном находит применение при организации международной, s том числе и межконтинентальной, связи с использованием подводных и спутниковых линий связи. Оргаішзация подобных гракгов требует огромных капитальных и эксплуатационных затрат, вследствие чего увеличение объема передаваемой информации в два и более раз позволяет получить весьма существенный экономический эффект даже с учетом высокой стоимости оборудования ЦАСКК.
Так, например, системаTAS1 (США), являющаяся прообразом ЦАСКК, несмотря на весьма высокую стоимость и большой объем оборудования, нашла применение на первой подводной трансатлантической магистрали, связавшей Америку с Европой.
В настоящее время за рубежом наибольшее практическое применение находит ЦАСКК типа ДТХ (Израиль) v. CELTIC (Франция).
Оборудование ДТХ выпускается в различных вариантах и ориентировано на использование в системах спутниковой связи с многостанционным досгупом. Так, например, оборудование ДТХ-30/60 использует принципы цифровой интерполяции речи ЙОІ7) и обеспечивает удвоение пропускной способности первичного цифрового тракта со скоростью.передачи 2048 кбит/с при использовании компан-дированной ИКМ и сохранении скорости передачи в канале 64 кбит/с, а оборудование ДТХ-І2С/240 (при использовании четырех термина- лов ДТХ-30) - удвоение пропускной способности вторичного цифрового тракта со скоростью передачи 8448 кбит/с. При этом переда-
ча данных интерпретируется как непрерывная речь, а оборудование ДТХ-30 закрепляет необходимое число каналов ( не более 10$ от общего числа обслуживаемых каналов) для обеспечения передачи данных без замзтного ухудшения качества передачи информации по другим каналам. Совместное использование принциповЗД/ и адап-тканой дифференциальной ИКМ (.ЩХМ) в аппаратуре ДТХ-240Т позволяет довести выигрыш в эффективности использования линейных трактов до 6-8 раз ( в зависимости от активности источников и длины кодового слова). Разрабатывается аппаратура ДТХ-240Г , ориентированная на передачу факсимильных сигналов, в которой за счет низкой активности источников и меньшей требуемой скорости передачи, достигается еще больший выигрыш ь эффективности использования первичного цифрового тракта.
Близкими показателями обладает семейство систем передачи типа CE.L7/C : аппаратураCLT1Х-25 по своим техническим данным примерно соответствует аппаратуре ДТХ-120/^40, а аппаратура CELTIC-3& аналогична аппаратуре ДТХ-240Т. Апларагура^А77^-5^, в частности, успешно используется на световодной трансатлантической магистрали (ТАТ-8).
Таким образом, за рубежом разработке и внедрению ЦА.СКК придается весьма важное значение, и развитие техники связи в этом направлении признается перспективным и приоритетным с учетом развития сетей сотовой связи, сетей интегрального обслуживания и гл.
В нашей стране использование статистических систем передачи позволило бы решить ещз более широкий круг задач, поскольку остро стоит проблема повышения эффективности использования цифровых трактов даже на различных участках местной сети, например, на участке "концентратор—телефонная станция", на соединительных линиях ГГС и СТО и др. Для этого необходимо обеспечить разработку эффективного, надежного и экономичного оборудования ЦАСКК. 0 возможности успешного решения этой задачи свидетельствуют результаты іиучннх исследований, проводимых в России в основном силами ученых и специалистов ШИР, ЦНИИС, МТУСИ, НЭИС и ЛЭКС. В процессе этих исследований был получен ряд важных и оригинальных научных и практических результатов. Так, например, уже в 197? году были успешно проведены испытания на опытной линии ГГС аппаратуры ИШ-С 2x30/30, разработанной в МЭИС. Однако остаточный принцип финансирования отрасли связи, низкие темпы внедрения
новой техники и ряд других объективных причин существенно затрудняли процесс исследований, разработки и внедрения ЦАСКК в нашей стране. Тем не менее к настоящему моменту специалистами НЖР завершена разработка ЦАСКК типа "Объем", "Октава" и"0пти-мум", обеспечивающих повышение эффективности цифровых трактов при работе с ЦСП ИКМ-30 и ИКМ-І5. Очевидно, что в ближайшие года потребуется разработка семейства ЦАСКК, способной эффективно работать на различных участках сети связи России. В этих уоло -виях требуется дальнейшее развитие теории, методов и техники передачи информации по каналам цифровых систем связи со статистическим уплотнением.
Различные теоретические и практические вопросы, связанные с исследованием, разработкой и использованием ЦАСКК, рассматривались в большом количестве работ зарубежных и отечественных авторов, среди которых следует выделить работы В.В.Воронина, И.О. Дыковой, В.Р.Звонковича, В.П.Кокошкина, Э.А.Кудрявцевой, Б.Я. Рябко, И.В.Ситняковского, П.В.Сафонова, В.Н.Слащева.Б.Н.Федорова, Е.Л.Федоровой, В.Г.Угера, В.А.Шура и др. Однако большинство публикаций зарубежных авторов носит рекламный и описательный характер, а в отечественных публикациях каждый из авторов, как правило, исследует один из множества путей реализации ЦАСКК. При этом используются различные методы исследования, что затрудняет сравнение возможных способов построения статистических систем с целью выбора наиболее оптимальных вариантов. Недостаточное внимание уделено разработке аналитических методов расчета, оптимизации параметров статистических систем и их исследованию путем моделирования на ЭВМ. Кроме того, ряд возможных модификаций, существенно влиякщих на параметры системы, оказались либо не исследованными вообще, либо недостаточно исследованными. Требуют также дальнейшего исследования вопросы, связанные с уровнем разработки и месте на сети статистических систем, с идентификацией состояния каналов, с технической реализацией аппаратуры, оценкой технико-экономической эффективности ее внедрения и др.
Более того, статистические характеристики сигналов и каналов можно использовать не только при реализации ЦАСКК, обеспечивающей статистическое сжатие цифровых потоков, но и в ряду других случаев. Весьма важным представляется использование свободных и(или) пассивных каналов для организации обмена различной
информацией между отдельными станциями (обслуживаемыми или необслуживаемыми) , распределенными по магистрали. Это, в частности, может оказаться единственным выходом для обеспечения дополнительных функциональных возможностей, возникающих в процессе развития сети и уровня ее обслуживания, на существующих линиях связи, т.к. в этом случае не потребуется изменения структуры цикла передачи и кода в ЦЛТ, уменьшения информационной емкости тракта, выделения специальных цепей или увеличения скорости передачи группового сигнала.
Очевидно, предложенный метод обмена информацией может быть использован для ввода или выделения информации в любом из пунктов магистрали с сохранением отмеченных выше достоинств. Возможности практического применения данного метода весьма обширны, и в качестве примера можно назвать передачу сигналов телеконтроля и служебной связи по цифровым линейным трактам.
В дальнейшем будем обозначать системы, использующие предложенный метод, как " статистические цифровые системы обмена информацией" (СЦСОИ). Предлагаемый метод обмена информацией,использующий статистические характеристики сигналов и каналов, практически не изучен, отсутствуют метода расчета и оптимизации параметров СЦСОИ, не исследованы вопросн технической реализации и практического применения. При этом, очевидно, наибольший интерес представляет исследование СЦСОИ для случаев передачи дискретных я речевых сигналов.
Таким образом, использование свободного состояния каналов, пауз в занятых каналах и статистических свойств передаваемых сигналов мокег обеспечить повышение эффективности использования цифровых трактов при сохранении их основных параметров.
Целью работы является решение комплексной научно-технической проблемы, включающей развитие теории, методов и техники передачи информации по каналам цифровых систем связи со статистическим уплотнением, обеспечивающих существенное повышение эффективности использования цифровых трактов.
Основные задачи исследования.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
разработка методов использования статистических характеристик сигналов и каналов для повышения эффективности систем пере-
дачи информации различного вида;
разработка и исследование метода обмена информацией в СЦСЩ
разработка аналитических методов расчета основных параметров ЦАСКК различного типа и на их основе количественная сравнительная оценка возможных методов формирования группового сигнала в ЦАСКК;
разработка аналитических методов расчета параметров, характеризующих процесс передачи даскрегншс и речевых сигналов по каналам СЦСОИ;
разработка классификации, оценка потенциальных возможностей и выбор уровня иерархии для разработки ЦАСКК;
создание машинных моделей ЦАСКК и СЦСОИ и оптимизация параметров исследуемых систем;
экспериментальная оценка качества передачи информации по каналам ЦАСКК и СЦСОИ;
разработка рекомендаций по проектированию и технической реализации ЦАСКК л СЦСОИ, их использованию на сети связи и оценке технико-экономической эффективности.
Методы исследования. Теоретической и методологической основой исследований являются математические аппараты теории вероятностей и массового обслуживания, теории информации, теории статистической радиотехники, теории цифровой обработки сигналов, а гакке методы имитационного моделирования на ЭВМ, физического макетирования и экспериментальных испытаний.
Научная новизна определяется следующими основными результатами:
разработан и исследован новый метод передачи дискретных и речевых сигналов между любыми пунктами на магистрали, позволяющий за счет использования свободных или пассивных каналов осуществить без перерыва связи надежную передачу этих сигналов по цифровым линейным трактам при сохранении их информационной емкости, структуры цикла передачи, типа кода в линии и скорости передачи группового сигнала;
разработаны аналитические методы расчета основных параметров ЦАСКК различного типа, учитывающие параметры сигналов и ЦЛТ, алгоритмы обработки сигналов, воздействие шума и загрузку каналов сигналами различного вида;
предложен и использован для практических расчетов аналити-
,УЛ.
ческий метод сравнительной оценки основных параметров ЦАСКК различного типа, учигнващий влияние основных ухудшающих факторов;
впервые прлменигельно к СЦСОИ разработаны аналитические методы расчета основных параметров системы, учитывающие статистические параметры сигналов, передаваемых по информационным каналам, структуру цлкла передачи и параметры ЦЛТ;
разработаны имитационные модели СЦСОИ при переггаче речевых сигналов и дискрегной информации, позволяющие статистически определить оптимальные значения основных параметров системы;
разработаны машинные модели блочной конструкции Ц4СКК различного типа, и на юс основе произведена оптимизация параметров ЦАСКК;
предложена классификация ЦАСКК, содержащая ряд наиболее важных и устойчивых классификационных признаков и позволяющая выделить особенности ЦаСКК, которые необходимо учитывать при расчете их параметров, и произведена оценка потенциальных возможностей ЦАСКК различного типа;
обоснована целесообразность выбора первичного уровня иерархии для разработки ЦАСКК;
экспериментальным путем произведена оценка качества передачи информации по каналам ЦАСКК и СЦСОИ, позволившая установить количественную взаимосвязь между влиянием различных ухудшающих факторов на качество передачи информации;
предложен новый вариант применения ЦАСКК в качестве резервного оборудования и показано, что в этом случае мокно существенно повысить параметры надежности каналов и трактов;
показано, что использование СЦСОИ в групповом режима для передачи сигналов гелеконтроля позволяет повысить надежность передачи этих сигналов по сравнению с использованием отдельной физической цепи.
Практическая ценность проведенных исследований заключается в следующем:
результаты исследований позволяют оптимальным образо?.; проектировать ЦАСКК, которые могут в несколько раз повысить эффективность использования цифровых линейных трактов на различны;: участках сети связи;
разработанные методы оценки основных параметров UACKK лутем
аналитических расчетов и моделирования на ЭВМ позволяют осуществлять сравнительную оценку и оптимизацию параметров любых возможных модификаций ЦАСКК различного типа;
результаты исследований позволяют сформулировать рекомендации по выбору параметров и проектированию СЦСОИ для передачи дискретных и речевых сигналов;
использование СЦСОИ позволяет расширить функциональные возможности существующих цифровых трактов, обеспечивая обмен дискретными и речевыми сигналами между любыми пунктами магистрали без изменения параметров ДСП; -
при использовании СЦСОИ в групповом режиме повышается надежность и экономическая эффекгивносгь системы передачи сигналов телеконгроля и служебной связи на основе единого метода при использовании общих устройств;
разработанные алгоритмы и программы имитационного моделирования СЦСОИ могут быть применены при оценке параметров приемников синхросигнала, использующих принцип скользящего поиска, и параметров каналов о дельта-модуляцией в условиях действия ошибок регенерации и различного рода прерываний;
использование предложенного устройства определения состояния телефонных каналов позволяет повысить достоверность идентификации состояния каналов, а, следовательно, повысить качество передачи информации по каналам ЦАСКК и СЦСОИ;
разработаны и защищены авторскими свидетельствами ряд технических решений по исследуемой проблеме.
Реализация результатов работы.
Диссертационная работа выполнена по тематика комплекса научно-исследовательских работ, проводимых по постановлениям Правительства и приказам Министерства связи, в рамках хоздоговорных НИР с НТО "Дальняя связь" (С.-Петербург) и ЦНИИС (Москва). В настоящее время по данной тематике проводится НИР в рамках программы "Фундаментальные аспекты новых информационных н ресурсосберегающих технологий". Основные результаты диссертации использовались в ряде организаций и предприятий Шнсвязи и других министерств при проведении НИР и ОКР по разработке перспективных цифровых систем передачи и комплексов по их техническому обслуживании ( имеются акты о внедрении результатов).
Разработаны, изготовлены и испытаны на опытной линии ГТС
г. С.-Петербурга работав макеты LACKK типа ИКМ-С 2x30/30, обеспечивающей статистическое объединенле двух цифровых первичных потоков в один лотог при сохранении скорости передачи 2048 кбщб. имеется акт и положительное заключеіше яо результатам исгшганиіі, э такие положительное решение секции НТС Министерства связи.
Разработан и испытан в лабораторных условиях макет СЦСОИ при передаче сигналов телеконтроля по тракту ЦСП ИКМ-30.
Наиболее ванные результаты диссертации внедрены в учебный процесс на кафедре многоканальной электросвязи 1ЯУСИ (разделы в двух учебниках и основном курсе "Многоканальные системы передачи", специальный курс лекций "Проектирование ЦССТГ, дипломное проектирование к др.). Имеется акт о внедрении результатов диссертации в учебный процесс.
Вклад автора в разработку проблемы.
Основные ниучяые положения, "теоретические и практические выводы и рекомендация получены автором самостоятельно.
Апробация работы. Основные материалы и результаты диссертации обсуждались на 35 научно-технических конференциях, сессиях и семинарах Всесоюзного, республиканского и регионального уровней (в том числе, на 5 международных). Результаты работы оосукдзлись на секции НТС Минсвязи и на совещаниях заведующих кафедрами в рамках Межвузовской методической комиссии и ФІШ МТУС-і. і [о тематике диссертации свыше 20 докладов были представлены на НТК профессорско-преподавательского состава ;<1ТУС;1
Материалы диссертации изложены в їй научно-технических отчетах по хоздоговорным и госбюджетным НИР.
П у б л и к а ц и и . Основные результаты диссертации опубликованы г> 17 .штатных работах '( а Тим числе 6 авторских свидетельств) обцим объемом 12,5 печатных листов.
Основные положения, выносимые на за ш и т у :
I.Использование ЦА.СКК и СЦСОИ позволяет получить значительный экономический э^екг и расширить Функциональные возможноегя цифровых систем яередачи.
2. Разработанные аналитические методы оценки основных параметров 1UCJCK позволяют гроводигъ досюверные инженерные расчеты и сравнительную сценку ЦАСКК различных типов и модификаций, что
подтверждается результатами моделирования и экспериментальных испытаний.
-
Разработка ЦАСКК применительно к первичному цифровому потоку со скоростью передачи 2048 кбят/с обеспечивает более высокую степень унификации оборудования, упрощает техническую реализацию и повышает гибкость использования ЦАСКК на телефонной сети.
-
Наилучшими показателями обладают ЦАСКК-ПДС блочного типа и ЦАСКК-ТАСИ с передачей сигналов управления П-го типа при использовании устройств идентификации состояния каналов и выравнивания перегрузки по каналам.
-
Разработанные аналитические методы расчета основных параметров СЦСОИ позволяют проводить достоверные инженерные расчеты, что подтверждается результатами моделирования и экспериментальных исследований.
6. Для работы СЦООИ могут быть использованы как свободные
информационные каналы, так и паузы при передаче информации в
занятых каналах ДСП. *
-
Использование СЦСОИ при необходимости обеспечивает организацию нескольких каналов обмена информацией, что позволяет осуществить одновременное и независимое взаимодействие нескольких пунктов, причем одна часть пунктов может обмениваться речевой информацией, а другая часть,- дискретными сигналами.
-
Передача сигналов телеконтроля по каналам СЦСОИ в групповом режиме обеспечивает по сравнению с использованием отдельной физической цепи более высокие показатели надежности для передачи этих сигналов.
-
Использование дельта-модуляции с комландированием для передачи речевых сигналов по каналам СЦСОИ обеспечивает высокое качество,передачи в условиях действия ошибок регенерации и прерываний за счет активизации используемых информационных каналов.
-
Влияние ухудшающих факторов на качество передачи информации по каналам ЦАСКК и СЦСОИ может быть уменьшено до пренебрежимо малых величин путем оптимального выбора параметров ЦАСКК и СЦСОИ и алгоритмов обработки цифрового сигнала.
-
Использование предложенного устройства определения состояния телефонных каналов путем логического анализа сигналов управления и взаимодействия обеспечивает повышение достоверности
идентификации состояния каналов.
12. Оборудование ЦАСКК и СЦСОИ технически реализуется на базе современных отечественных интегральных микросхем и микропроцессорных комплектов.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Общий объем диссертации -составляет 402 страницы, основной текст работы изложен на 268 машинописных страницах. Диссертация содержит 89 рисунков, 26 таблгц, список литературы, включащий 205 наименований.
