Электромагнитная совместимость электротехнического оборудования цифровых сетей технологии xDSL

Стремительное развитие рыночных отношений в нашей стране привело к бурному росту числа предприятий различных форм собственности, что в свою очередь повлекло за собой взлет российского рынка средств связи, а значит и к интенсивному росту числа новых абонентов. Как правило, современные абоненты нуждаются не только в телефонной связи, но и в подключении к электронной почте, получении видеоконференцсвязи, доступе к Интернет и всевозможным базам данных.

Неуклонный рост объемов информационных потоков, а также необходимость в организации удаленного доступа к корпоративным сетям, породили острую потребность в создании недорогих технологий цифровой высокоскоростной передачи данных по абонентской телефонной линии связи.

К числу таких, наиболее интенсивно развивающихся цифровых технологий, позволяющих значительно увеличить скорость передачи данных, без необходимости модернизации абонентских телефонных линий, относятся технологии объединенные общим названием xDSL (Digital Subscriber Lineцифровая абонентская линия), где х — символ, обозначающий конкретный тип технологий высокоскоростных цифровых абонентских линий DSL.

В условиях постоянной нехватки средств для прокладки новых волоконно-оптических и медных кабелей технологии xDSL предлагают реальный и экономичный способ значительного наращивания возможностей существующих абонентских линий. Они позволяют значительно расширить пропускную способность абонентской линии местной телефонной сети путём использования эффективных линейных кодов и адаптивных методов коррекции искажений линии на основе современных достижений микроэлектроники и цифровой обработки сигнала.

Применение технологий xDSL для высокоскоростного доступа к услугам сети особенно примечательно тем, что эти технологии используют в качестве среды передачи существующую кабельную инфрастуктуру местных телефонных сетей. Это позволяет провайдерам услуг не только экономить значительные средства, но и более быстро создавать для своих абонентов большое количество новых служб передачи данных.

Кроме того, учитывая, что технологии xDSL работают по стандартным абонентским линиям, они имеют решающее значение для расширения пропускной способности в самом «узком» месте — «последней миле» существующей абонентской телефонной сети.

Однако, по мере интенсивного внедрения технологий xDSL на уже существующих абонентских телефонных линиях все более остро встают проблемы связанные с электромагнитной совместимости (ЭМС) различного DSL-оборудования работающего в одном кабеле, возникающие как на этапе его проектирования, так и на этапе его эксплуатации.

При проектировании DSL-сети для правильного выбора технологии и оценки ЭМС необходимо, прежде всего, определить «соседей» планируемой DSL-линии на каждом из участков кабеля, выяснить энергетические спектры их работы в каждом из направлений, затем рассчитать взаимовлияние и, таким образом, определить требуемый тип аппаратуры.

Как показывает практика устойчивость работы, ЭМС и дальность действия оборудования xDSL зависит: во-первых, от типа линейного кодирования, определяющего спектральный состав сигнала и его информационную насыщенностьво-вторых, от параметров кабеля — его типа, определяющего частотные характеристики, диаметра жилы, от которого зависит активное сопротивление и т. д.- в-третьих, от шумовой обстановки.

Важнейшим параметром, оказывающим ключевое влияние на ЭМС, качество работы и дальность передачи DSL-тракта — является шум. Существуют различные типы шумов. Одна часть шумов зависит от так называемых внутренних наводок. Главное влияние здесь оказывают наводки с соседних пар на ближнем и дальнем концах абонентской телефонной линии. Чем больше аппаратуры работает на соседних парах, и чем ниже перекрестное затухание в кабеле, тем сильнее наводки.

Другая часть шумов (импульсный, радиочастотный и т. д.) зависит от воздействия на сам кабель различных радиопередающих устройств, силовых установок, мощного электротехнического оборудования и многих других мешающих факторов.

Таким образом, рассматривать вопросы ЭМС при внедрении оборудования технологий xDSL надо комплексно, как с учетом взаимных влияний между цепями xDSL, так и с учетом внешних электромагнитных воздействий, как на сам кабель, так и на оборудование DSL.

Именно комплексный подход способен решить проблемы по обеспечению электромагнитной совместимости цифровых сетей доступа построенных по технологии xDSL.

Фундаментальные исследования в области разработки теории передачи и взаимных влияний между цепями линий связи относятся еще к началу шестидесятых годов прошлого столетия [1.5]. Большую роль в их развитии сыграли такие отечественные ученые, как: В. Н. Кулешов, И. И. Гроднев, P.M. Лакерник, Б. Ф. Миллер, Е. А. Яковлев, М. Я. Каллер, Л. И. Мачерет, Д. Л. Шарле, К. Я. Сергейчук, В. А. Привезенцев, Л. И. Кранихфельд. Теория экранирования кабельных цепей связи подробно изложена в работах таких ученых как В. О. Шварцмам, А. Ю. Цым, А. Б. Цалиович и многие другие [6. 11].

В настоящее время неоценимую роль в области внедрения современных цифровых технологий на российском рынке связи, разработке теоретических и практических проблем построения цифровых сетей доступа играют ведущие специалисты Научно-технического центра НАТЕКС совместно с ЛОНИИС, институтом в области связи с многолетними научными традициями. Огромный вклад в эту работу внесли такие ученые и ведущие специалисты как Ю. А. Парфенов, Д. Г. Мирошников, В. Е. Власов, Л. И. Кайзер, О. М. Денисьева, Ю. А. Белов, Ю. С. Москаленко и многие другие [12. 18].

Однако, расширение области применения цифровых кабельных систем, новые цифровые технологии и оборудование, ставят на повестку дня задачу разработки методики расчета сетей доступа с позиции цифровой среды передачи информации, в условиях электромагнитной совместимости и дачи информации, в условиях электромагнитной совместимости и защиты от интенсивных внешних электромагнитных воздействий.

В условиях интенсивного внедрения цифровых технологий современные сети доступа должны обеспечить не только оптимальные параметры при приеме и передачи в заданном диапазоне частот, но и необходимую величину защищенности как между цепями внутри кабеля, так и самих цепей кабеля от воздействия на них внешних электромагнитных помех [19.30].

Все это делают диссертационную работу весьма актуальной.

Представленная диссертационная работа выполнялась в соответствии с НИР ГОУ ВПО «МГУС» «Исследование цифровых методов обработки информации в информационно-технологических системах при разнообразных внешних воздействиях» ГРНТИ 49.37.29 РК 0120.0 501 339.

Целью диссертационной работы является обеспечение электромагнитной совместимости электротехнического оборудования цифровых сетей технологии xDSL, путем уменьшения взаимных влияний между цепями кабельных линий, в условиях интенсивного воздействия внешних электромагнитных помех.

В соответствии с этим, были поставлены и решены следующие основные задачи работы:

1. Анализ принципов построения и классификации цифровых сетей технологии xDSL;

2. Разработка методики расчета взаимных влияний между цепями кабельных линий цифровых сетей xDSL;

3. Разработка методики расчета электромагнитной совместимости электротехнического оборудования цифровых сетей xDSL;

4. Разработка методики выбора кабельных пар цифровых сетей xDSL по критерию электромагнитной совместимости.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием методов теории цепей, математической теории поля и теории случайных процессов. Экспериментальные исследования выполнены методами физического моделирования в лабораторных и реальных эксплуатационных условиях.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработана методика расчета эффективности экранирования сетей xDSL от внешних и взаимных электромагнитных помех;

2. Разработана методика расчета нестабильности электротехнических характеристик кабельных линий xDSL;

3. Разработана методика расчета протяженности линий сети xDSL с учетом обеспечения электромагнитной совместимости.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Предложена методика, позволяющая осуществлять тестирование кабельной сети для развертывания технологии xDSL;

2. Предложена методика, позволяющая осуществлять поиск кабельных пар для цифровых сетей xDSL;

3. Предложены основные положения по техники безопасности на линиях сети xDSL.

На защиту выносятся:

1. Методика расчета взаимных влияний между цепями кабельных линий цифровых сетей xDSL;

2. Методика расчета электромагнитной совместимости цифровых сетей xDSL.

Личный вклад. Все основные научные результаты, изложенные в диссертационной работе и выносимые на защиту, получены автором лично.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы в ООО «Группа СпецБизнесПроект», что подтверждается актом о внедрении. Результаты исследований использованы в курсе «Электронные информационные системы и организация каналов связи», а так же в дипломных проектах ГОУ ВПО «Московский государственный университет сервиса» (ГОУ ВПО «МГУС»), что подтверждается соответствующим актом о внедрении.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались:

• на 10-й Международной научно-практической конференции «Наукасервису» (Москва, 2005 г.);

• на 7-й Межвузовской научно-технической конференции «Современные средства управления бытовой техникой» (Москва, 2006 г.);

• на 2-й Межвузовской научно-технической конференции «Проблемы развития электротехнических комплексов и информационных систем» (Москва, 2006 г.);

• на 11-й Международной научно-технической конференции «Наукасервису» (Москва, 2006 г.);

• на 8-й Межвузовской научно-технической конференции «Современные средства управления бытовой техникой» (Москва, 2007 г.);

• на совместном заседании кафедр «Электроника и электронные информационные системы» и «Информатика и компьютерный сервис» ГОУ ВПО «МГУС» (Москва, 2007 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 15 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, двух приложений и списка литературы, включающего 106 наименований. Работа изложена на 139 страницах машинописного текста, содержит 43 рисунка и 35 таблиц. В двух приложениях объемом 14 страниц содержатся материалы отражающие технические характеристики HDSLи SDSL-оборудования и устройств ADSL, RADSL, IDSL, а так же материалы внедрения результатов диссертационной работы.

4.6. ВЫВОДЫ

1. Широкое применение технологий xDSL выдвинуло проблему ЭМС на первый план и заставило кардинально изменить отношение к кабельным линиям, особенно абонентского доступа.

По своему техническому состоянию кабельную сеть абонентского доступа можно условно поделить на три группы:

— линии, полностью удовлетворяющие всем нормам отраслевых стандартов по электрическим характеристикам (как правило, это новые линии);

— линии, в основном, соответствующие нормам, но имеющие некоторые отклонения по сопротивлению изоляции (до десятков МОм) и повышенную асимметрию (до 1 — 2% от сопротивления шлейфа, при норме в 0,5%);

— линии со значительно заниженным сопротивлением изоляции, большой асимметрией, с «разбитыми» парами (как правило, такие линии имеют резко заниженные характеристики взаимных влияний, это замокшие кабели, находящиеся в аварийном состоянии и требующие капитального ремонта).

Показано, что только первые две группы линий могут быть использованы для какого-либо высокочастотного уплотнения.

2. Рассмотрены методы тестирования кабельной сети для развертывания технологии xDSL. Показано, что тестирование кабельного участка абонентской линии включает в себя три основных задачи — измерение длины линии (которое позволяет сразу же забраковать некоторые абонентские линии, потому что технологии xDSL выдвигают строгие требования к длине линии), поиск и устранение кабельных повреждений и измерение шумов, которые оказывают существенное влияние на высокоскоростные системы передачи.

3. Проведенные исследования совместной работы в одном кабеле различных цифровых систем показали, что взаимными влияниями между низкочастотными и уплотненными цепями можно пренебречь, поскольку они очень незначительны благодаря высоким значениями А0 в низкочастотном диапазоне. Значительные влияния друг на друга оказывают уплотненные цепи, поэтому при увеличении числа систем особенно на линиях максимальной и приближающейся к ней протяженности возникают проблемы в области электромагнитной совместимости.

4. Рассмотрена и проанализирована методика выбора кабельных пар для xDSL по критерию электромагнитной совместимости. Главным параметром, определяющим возможность цифровой связи, по критерию ЭМС, является переходное затухание между цепями кабеля на «ближнем конце» — А0.

Показано, что единственный способ наиболее рационально использовать кабельную абонентскую сеть для цифрового уплотнения, по критерию ЭМС, это осуществить отбор такой максимальной группы пар, для которых А0 в любых комбинациях между собой, будет не ниже расчетной величины на частоте нормирования данной системы уплотнения. При этом остальные пары должны применяться только для низкочастотного использования.

5. Рассмотрен и проанализирован метод автоматического отбора пар в ансамбле цепей по критерию электромагнитной совместимости, обеспечивающих передачу аналоговой и цифровой информации.

Методика отбора пар предусматривает два режима: первый — оценка параметров влияния на участке от распределительного шкафа до распределительной коробкивторой — оценка параметров влияния на участке от распределительной коробки до АТС. В первом случае оценивается электромагнитная обстановка на участке с предполагаемыми худшими параметрами. Во втором — весь тракт от абонента до АТС с учетом пучка цепей в многопарных магистральных кабелях.

6. Рассмотрены вопросы, связанные с техникой безопасности при настройке и эксплуатации оборудования сети абонентского доступа на линиях xDSL.

7. Рассмотрены и проанализированы основные требования к устройствам электропитания, а так же основные положения по охране труда при эксплуатации линейных сооружений, оборудованных системами цифрового уплотнения семейства xDSL.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации решена важная научно-техническая задача, заключающаяся в обеспечении электромагнитной совместимости электротехнического оборудования цифровых сетей доступа технологии xDSL, путем уменьшения взаимных влияний между цепями кабельных линий, в условиях интенсивного воздействия внешних электромагнитных помех.

При этом получены следующие основные результаты:

1. Осуществлен анализ условий работы цифровых сетей доступа технологий xDSL. Показано, что основными факторами, влияющими на качество их работы, являются: затухание сигнала в кабельной линии зависящее от типа кабеля, его длины и частоты сигналанелинейность амплитудно-частотной характеристикиперекрестные наводки на ближнем и дальнем концегрупповое время задержкивнешние электромагнитные помехи. 2. Осуществлен анализ электромагнитной совместимости цепей передачи дискретных и аналоговых сигналов кабельных линий оборудованных xDSL. Показано, что совмещение цепей для передачи дискретной и аналоговой информации в кабельных линиях возможно при выполнении условий ЭМС в ансамбле цепей, обеспечивающих отсутствие переходных помех в низкочастотных телефонных парах, каналах аппаратуры высокочастотного уплотнения, и гарантирующих заданную достоверность передачи в цифровых трактах оборудования xDSL.

3. Рассмотрены и проанализированы основные пути влияния между цепями в цифровых кабельных линиях исходя из концепции размещения устройств передачи и приема применительно к технологиям xDSL.

Показано, что при оценке взаимных влияний между симметричными парами в группе цепей цифрового кабеля необходимо учитывать влияние: на ближнем и дальнем концечерез третьи цепи на дальнем концечерез несимметричные цепи (экран, цепи электропитания и т. п.) — из-за отражения от не-однородностей в линии и несогласованности входных сопротивлений аппаратуры и волнового сопротивления цепи.

4. Осуществлен расчет эффективности экранирования сетей доступа технологии xDSL от внешних и взаимных электромагнитных помех. Показано, что в режиме защиты от внешних помех экранирующая оболочка имеет более высокие экранирующие свойства, чем в режиме защиты от взаимных помех. В зависимости от рабочей частоты это превышение может составлять от 20,5 до 24,5 дБ.

5. Осуществлен расчет электромагнитной совместимости при уплотнении цепей xDSL с кодом HDB-3, 2B1Q, САР и ТС-РАМ. Показано, что ЭМС цифровых цепей технологии xDSL, использующей симметричные кабели, зависит от помех, обусловленных: непосредственным влиянием между цепями на ближнем концепопутным потоком, обусловленным несоответствием входного и волнового сопротивления цепей и неоднородностей волнового сопротивления вдоль линиипереходным влиянием на дальнем конце участкасобственными (тепловыми) шумами.

6. Осуществлен расчет нестабильности электротехнических характеристик цифровых кабельных линий xDSL. Показано, что основными факторами, воздействующими на кабель при нормальной эксплуатации, являются многократное изменение температуры и влажность среды, окружающей кабель, а так же вибрация почвы способная вызвать повреждение оболочки кабеля или смещение жил кабельного сердечника и тем самым изменить параметры передачи и влияния. Показано, что наибольшее влияние нестабильность электротехнических характеристик цифрового кабеля оказывает на величину защищенности между цепями на дальнем конце линии.

7. Рассмотрена и проанализирована методика выбора кабельных пар для xDSL по критерию электромагнитной совместимости.

Показано, что единственный способ наиболее рационально использовать кабельную абонентскую сеть для цифрового уплотнения, по критерию ЭМС, это осуществить отбор такой максимальной группы пар, для которых переходное затухание между цепями кабеля на «ближнем конце» в любых комбинациях между собой, будет не ниже расчетной величины на частоте нормирования данной системы уплотнения. При этом остальные пары должны применяться только для низкочастотного использования.

8. Рассмотрены и проанализированы основные требования, связанные с техникой безопасности при настройке и эксплуатации оборудования сети абонентского доступа на линиях xDSL.