Разработка методов измерений характеристик кабелей связи при внедрении и эксплуатации сетей широкополосного доступа

Актуальность работы. Наличие доступа к информации всегда являлось привилегией господствующего класса, что в значительной степени определяло его превосходство. Отличительной чертой настоящего времени является возможность доступа к информации для каждого члена человеческого сообщества, что составляет одно из условий как технологического, так и общественного прогресса.

Значительные информационные ресурсы оперативно доступны пользователю при условии, что последний подключен к сети Интернет, выход в который изначально (отчасти и по сей день) обеспечивался с применением телефонных сетей общего пользования путем их вторичного уплотнения. Автор гордится тем, что с начала 90-х годов, когда компьютерные сети корпоративного и общего пользования начали широко развиваться и в России, он, являясь сотрудником компании ООО «Аналитик-ТС» (зарегистрированная торговая марка AnCom), внес свой скромный вклад в этот процесс участием в разработке норм на электрические параметры каналов сети ТфОП [1]. Это стало возможным благодаря опыту, приобретенному автором при разработке семейства помехоустойчивых телефонных модемов AnCom ST [2], анализаторов телефонных каналов серии AnCom TDA-5 [3] и исследовании вопросов обеспечения измерений и нормирования телефонных каналов [102, 103, 104, 105, 106, 107].

Разработка норм была инициирована в первой половине 90-х годов Министерством связи, преследовавшим цель обеспечения конкурентоспособности услуг национальных операторов сети ТфОП на открывавшемся в то время для иностранных компаний телекоммуникационном рынке страны. Причем основное внимание уделялось качеству услуг документальной электросвязи, реализуемых с применением устройств передачи данных — модемов [4].

Скорость доступа, обеспечиваемая посредством телефонного модема, росла с 1,2 кбит/с [5] в 1980 году до 33,6 кбит/с [6] в 1998 и остановилась на значении 56,0 кбит/с [7, 8] в 2000 году, полностью исчерпав скоростной потенциал каналов сети ТфОП [107]. Тем не менее, как отмечалось в отчете [9], «установить нормы на каналы связи сети только исходя из требований обеспечения необходимого качества телефонной и документальной электросвязи будет неверным. Необходимо учитывать реальные возможности каналов сети, которая создавалась на протяжении нескольких десятилетий на базе технических средств, при разработке которых даже не ставились задачи обеспечения современных требований телефонной и, тем более, документальной электросвязи. Таким образом, процесс нормирования сводится к поиску разумного компромисса между требованиями к сети, обеспечивающими приемлемое качество телефонной и документальной электросвязи, и возможности сети обеспечить эти требования».

Указанный компромисс был достигнут созданием норм и технических требований к системе автоматизированных измерений нормированных параметров [10]. Такая система была разработана и, получив название AnCom ПАИК [11], используется на сети с 1997 года по настоящее время. Впоследствии аналогичные нормы не без участия автора были приняты в 2000 году в Казахстане [12] и в 2006 году — в Белоруссии [13].

Таким образом, функционирование традиционной телефонной сети общего пользования с коммутацией каналов, было обеспечено нормативной базой, которая позволила определить требования к этой сети при ее использовании для предоставления услуг документальной электросвязи.

С середины 90-х годов дальнейшее развитие проводного доступа с использованием развитой инфраструктуры абонентских кабельных сетей продолжилось с применением цифровых абонентских линий различных типов, получивших собирательное наименование xDSL (х Digital Subscriber Line — цифровая абонентская линия х-типа), которые и обеспечили массовое развитие сетей широкополосного доступа (ШПД).

Революционное увеличение скорости доступа на два порядка во второй половине 90-х годов (8 Мбит/с посредством ADSL [14]) и еще на порядок к настоящему времени (до 100 Мбит/с — VDSL2 [15]) было обеспечено за счет расширения используемой полосы частот соответственно до 1,1 МГц и до 12 МГц и путем увеличения точности обработки сигнала, выражающемся в росте кратности модуляции с 8 до 15 бит на передаваемый символ.

Такой прогресс был обусловлен как ростом возможностей операционных средств, так и нормированием параметров линейно-кабельных сооружений (ЛКС), что вылилось в разработку ряда международных стандартов [16, 17, 18, 19, 20, 21], определяющих принципы нормирования цифровых линий, которые частично использованы в отечественных стандартах и правилах [22,23, 24]. Однако даже совокупность указанных документов не может быть непосредственно применена ни оператором связи при выполнении работ по проектированию и строительству сетей доступа, ни разработчиком соответствующих средств измерений (СИ), чью сторону представляет автор, при создании спецификации такого СИ [112, 113, 114, 115].

В Белоруссии в 2006 году в кратчайшие сроки ГУП «Гипросвязь» (Минск) были разработаны требования к ЛКС, предназначенным для установки цифровых линий [25, 26, 27], однако эти документы не затрагивают вопросов обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) цифровых линий в сети ШПД на этапах ее проектирования, строительства, эксплуатации и развития.

ГП «ОНИИС» (Одесса) разработаны стандарты предприятия ОАО «Укртелеком» [28,29,30], регламентирующие среди прочих и вопросы обеспечения ЭМС линий в масштабе сети доступа [114].

В России нормативные документы, определяющие процесс цифрового уплотнения абонентских линий, были разработаны в ЛОНИИС (Санкт-Петербург) еще в середине 90-х годов [31, 32, 33], но эти нормы, к сожалению, не могут быть непосредственно использованы для проектирования и строительства сетей с использованием современных xDSL. Поэтому можно констатировать, что в настоящее время в России отсутствует развитая нормативная база по вопросам ЭМС xDSL в сетях ШПД.

По этой причине СИ, применяемые на сетях и поступающие от зарубежных фирм, используются вместе с теми методиками выполнения измерений (МВИ), которые разработаны их производителями, однако идеология нормирования и выполнения измерений практически скрыта от пользователя.

Таким образом, актуальность настоящей диссертационной работы обусловлена необходимостью создания системы норм, эффективного СИ параметров и характеристик ЛКС сетей ШПД и МВИ, совокупно обеспечивающих устойчивое функционирование сети ШПД в соответствии со статьями 12, 21, 41 и 46 федерального закона «О связи» [34].

Целями работы являются обобщение имеющихся данных, обоснование выбора системы норм характеристик ЛКС сетей ШПД, формирование технических требований к соответствующим СИ, определение принципов функционирования таких СИ и составление МВИ, совместно обеспечивающих проведение контроля ЛКС при отсутствии негативных влияний со стороны СИ на функционирование работающих фрагментов сети ШПД.

Методы исследования. В работе использованы методы имитационного моделирования, теории передаточных функций, теории цифровой обработки сигналов, спектрального и корреляционного анализа. Все натурные эксперименты выполнены с использованием анализатора систем передачи и кабелей связи AnCom А-7. Все вычисления выполнены автором самостоятельно с использованием программных средств, созданных в процессе разработки указанного выше СИ. Научная новизна диссертации заключается в следующем:

1. Разработаны математические модели линий ADSL и SHDSL, объединяющие алгоритмы формирования сигналов передатчика, запас помехозащищенности, скорость и условия передачи, характеризуемые длиной линии и характеристиками взаимовлияний.

2. На основе сформированной математической модели ADSL получены спектральные характеристики интерференционных помех ADSL, учитывающие, в том числе, влияние неоднородностей.

3. Основываясь на нормах и моделях переходных влияний, моделях цифровых линий и их скоростных характеристиках определены формулы для расчета предельно допустимой спектральной плотности мощности помех для SHDSL и для ADSL на станционном и абонентском окончаниях.

4. Обоснована возможность измерения параметров и характеристик ЛКС, применяемых для создания сетей ШПД-xDSL, с использованием универсального многочастотного измерительного сигнала, позволяющего получить характеристики и во временной, и в частотной областях.

Личный вклад автора. Основные результаты, приведенные в диссертационной работе, включая программное обеспечение анализатора систем передачи и кабелей связи AnCom А-7 в части формирования и анализа измерительных сигналов [35], система норм ЛКС для ШПД-xDSL и МВИ [36, 37], реализуемые указанным анализатором, получены автором лично. Практическая значимость диссертации.

1. Проанализированы нормативные документы, определяющие принципы построения и алгоритмы функционирования систем передачи xDSL и требования к ЛКС сетей ШПД.

2. Для цифровых линий ADSL и SHDSL сформулированы математические модели, включающие модели приемопередатчиков, передаточные характеристики и характеристики взаимных влияний.

3. Получены программные модели цифровых линий ADSL и SHDSL, пригодные для реализации средствами малопотребляющих контроллеров, встраиваемых в специализированное СИ.

4. Систематизированы требования, позволяющие указать спектральную плотность предельно допустимых помех на окончании пары в кабеле известных маркоразмера и длины, применяемой для установки приемопередатчиков цифровой линии известного типа в зависимости от требуемого запаса помехозащищенности и предельного количества цифровых линий в кабеле.

5. Обоснована возможность определения параметров и характеристик ЛКС в частотной области (рабочее затухание, импеданс, затухание отражения, переходное затухание) и временной (рефлектометр) области, применяемых для создания сетей ШПД-xDSL, с использованием многочастотного измерительного сигнала.

6. Вся совокупность полученных результатов использована автором при разработке программного обеспечения анализатора систем передачи и кабелей связи AnCom А-7, серийно производимого компанией ООО «Аналитик-ТС» с 2003 года и применение которого в соответствии с МВИ, разработанной автором, определяет дисциплину инсталляции и обеспечивает квалифицированное принятие решения о необходимости проведения ремонтно-восстановительных работ на сети ШПД-xDSL. Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 10 статьях [108, 109, 110, 111, 112, 113, 114, 115, 116, 117], среди которых 4 личных.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались автором на 3 семинарах и конференциях [118, 119, 120].

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Устойчивость функционирования сети ШПД-xDSL достигается разработкой системы норм, определяющих требования к ЛКС, используемым в сетях ШПД-xDSL.

2. Нормы условий ЭМС цифровых линий в сетях ШПД-xDSL учитывают как возможности приемопередатчиков цифровых линий, так и возможности, обеспечиваемые ЛКС.

3. Определение условий соответствия нормам выполняется средством измерений, способным оперативно обеспечивать проведение измерительных работ, эффективность которых определяется гибкостью возможностей диагностики состояния ЛКС и условий ЭМС цифровых линий ШПД, скоростью проведения измерений и разнообразием форм представления результатов измерений.

4. Для обеспечения эффективного функционирования средства измерений применяется универсальный измерительный сигнал, обеспечивающий измерения характеристик отражения, симметрии и передачи во временной и частотной областях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и 13 приложений. Работа содержит 245 листов, в том числе 55 рисунков, 30 таблиц, 58 страниц приложений. Библиография включает 120 наименований.

4.4 Выводы.

Анализ измерительных сигналов, проведенный в четвертой главе, показал, что перечисленные в первой главе задачи анализа ЛКС, применяемых для создания сетей ШПД с использованием цифровых линий, приведенные во второй главе математические модели цифровых линий и техника нормирования ЛКС ШПД-xDSL, определенная в третьей главе, могут быть реализованы с применением универсального, параметрически настраиваемого многочастотного измерительного сигнала.

Формирование МЧС может быть осуществлено или путем непосредственного расчета его волновой формы во временной области как суммы гармоник, или путем выполнения БДОПФ его образа, синтезируемого в частотной области.

При использовании 16-ти разрядных ЦАП-АЦП и целочисленной 16-ти разрядной арифметики диапазон представления рефлектограмм и АЧХ составит 96 дБ в отсутствие помех и будет понижаться при снижении эффективной разрядности ЦАП или АЦП на 6 дБ при уменьшении разрядности на 1.

Использование непрерывных по мощности сигналов для построения рефлектометра обеспечивает локализацию неоднородностей в кабелях связи с представлением рефлектограмм в традиционной форме с динамическим диапазоном, ограниченным исключительно разрядностью преобразователей (динамический диапазон рефлектометра серийного анализатора AnComA-7 достигает 80 дБ при использовании ЦАП-14) и гарантирует отсутствие переходных влияний на работу сети ШПД-xDSL со стороны СИ.

Применение универсального многочастотного измерительного сигнала позволяет выполнять исследование ЛКС одновременно в частотной и временной областях с использованием низкобюджетных и малопотребляющих цифрового процессора обработки сигнала (DSP), преобразователей ЦАП-АЦП и контроллера без поддержки плавающей арифметики.

Сравнительно малый уровень измерительного сигнала предопределяет возможность разработки низковольтной системы питания линейной части прибора, что позволяет снизить электропотребление, чем обеспечивается увеличение длительности автономной работы СИ при питании от встроенных аккумуляторов.

Совокупность указанных свойств позволяет компании ООО «Аналитик-ТС» серийно производить компактный, быстродействующий и широкополосный анализатор AnCom А-7, обеспечив его существенное ценовое превосходство на российском рынке по отношению к аналогичным СИ ведущих зарубежных фирм — см. таблицу 4.4.

Заключение

.

В диссертационной работе разработаны математические модели цифровых абонентских линий ADSL и SHDSL, обеспечивающие расчет их скоростных характеристик как в зависимости от вторичных параметров кабелей связи и воспроизводимых переходных влияний и помех, так и в зависимости от непосредственно измеренных характеристик передачи и фактических помех. Особенностью разработанной модели ADSL является учет спектральных характеристик интерференционных помех, воспроизводимых в зависимости от длины линии и наличия неоднородностей, и собственных помех приемника.

Произведен анализ нормативных документов, определяющих требования к линейно-кабельным сооружениям сетей широкополосного доступа, и проведены измерения частотных характеристик переходных влияний. На основе полученных данных определены: спецификация средства измерений, предназначенного для проведения контроля условий ЭМС цифровых линий в сетях ШПД-xDSL, и статистические модели частотных характеристик переходных влияний.

С использованием моделей цифровых линий и моделей переходных влияний рассчитаны нормы скоростных характеристик цифровых линий ADSL и SHDSL для типовых случаев применения.

Определены формулы для расчета предельно допустимой спектральной плотности мощности помех для SHDSL и для ADSL на станционном и абонентском окончаниях. Полученные формулы позволяют обеспечить гибкость нормирования помех с учетом длины кабеля, необходимой скорости передачи и при заданном запасе помехозащищенности цифровой линии.

Обоснована возможность и продемонстрированы преимущества определения параметров и характеристик ЛКС сетей ШПД-xDSL с использованием многочастотного измерительного сигнала.

По результатам разработки диссертации опубликованы 20 работ, из них 15 статей в журналах и 5 докладов на семинарах и конференциях.

Вся совокупность полученных результатов, включая модели цифровых линий и принцип измерений с применением многочастотного измерительного сигнала с программируемыми частотными свойствами, была использована при разработке программного обеспечения анализатора систем передачи и кабелей связи AnCom А-7, основанного на применении малобюджетных сигнального процессора, контроллера и преобразователей ЦДЛ-АЦП.

Реализуемый диапазон представления рефлектограмм и частотных характеристик затухания составляет не менее 80 дБ при длительности выполнения элементарного измерения от 0,4 до 2 с.

Экспериментально показано, что при использовании анализатора на действующей сети ШПД-xDSL в условиях малого переходного затухания, достигающего 30 дБ, работа анализатора в режиме рефлектометра обеспечивается в диапазоне до 50 дБ без оказания негативного влияния на работоспособность действующей сети доступа.

Примененные принципы позволили компании ООО «Аналитик-ТС» серийно производить анализатор AnCom А-7, обеспечив его существенное ценовое превосходство на российском рынке — не более 57% по отношению к аналогичным СИ ведущих зарубежных фирм. Методы измерений, основанные на использовании широкополосных измерительных сигналов, обеспечили возможности дополнительного применения анализатора AnCom А-7 для контроля оборудования, каналов и трактов высокочастотной связи по линиям электропередачи (ВЧ ЛЭП) в отрасли «Электроэнергетика», паспортизации каналов ТЧ и сертификации оконечного оборудования xDSL в отрасли «Связь».

Продемонстрированный в работе подход к построению средств измерений с использованием широкополосных измерительных сигналов и поддержкой нормирования сетей ШПД-xDSL средствами встроенного программного обеспечения может быть применен при разработке перспективных СИ, например, СИ, обеспечивающих инсталляцию и обслуживание сети ШПД, основанной на цифровых линиях VDSL2.