Результат интеллектуальной деятельности: СИСТЕМА СВЯЗИ ПО МНОГОПАРНОМУ КАБЕЛЮ СВЯЗИ

Изобретение относится к технике связи, а именно к системам телефонной связи, комбинированным с системами передачи данных, использующим многопарные кабели связи.

Анализ современного состояния и направлений совершенствования инфотелекоммуникационных систем в мире показывает, что сегодня важнейшей тенденцией развития является повышение качества предоставляемых услуг, а также увеличение их количества. В этой связи представляется актуальным вопрос близкого к оптимальному использования ресурса кабельных линий, находящихся в эксплуатации. Применительно к сетям доступа, основу которых в значительной степени составляют кабели с медными токопроводящими жилами, эта задача трактуется как требование увеличения скорости передачи информации и/или ее достоверности по существующим медным кабелям связи (Парфенов Ю.А., Мирошников Д.Г. Цифровые сети доступа. Медные кабели и оборудование. - М.: Эко-Трендз, 2005. - 288 с.).

Одним из способов решения данной задачи является подход, реализованный в семействе технологий цифровых абонентских линий и заключающийся в возможности многопарного связывания нескольких линий связи в единый канал передачи данных (Golden P. Fundamentals of DSL Technology / P. Golden, H. Dedieu, K.S. Jacobsen. - New York: Auerbach Publications, 2006. - 454 p.).

Известен патент US №6625262 от 23.09.2003, в котором описана высокоскоростная сетевая система передачи данных по многопарному кабелю связи, содержащая совокупность абонентских окончаний, центральную станцию и контроллер.

Недостатком данного аналога является рассмотрение линий связи в виде независимых путей передачи информации и учет переходных помех только в виде аддитивного белого гауссова шума. Данное допущение значительно ограничивает потенциальные возможности линий связи с точки зрения пропускной способности, поскольку не учитывает априорной информации о применяемых методах модуляции и кодирования.

Известен патент US №6973170 от 6.12.2005, в котором описана высокоскоростная сеть передачи данных по многопарному кабелю связи, содержащая контроллер, совокупность абонентских окончаний и центральную станцию.

Недостатком данного аналога также является рассмотрение линий связи в виде независимых путей передачи информации и учет переходных помех только в виде аддитивного белого гауссова шума. В этом случае также не используется априорная информация о применяемых методах модуляции и кодирования, что приводит к снижению скорости передачи информации по сравнению с потенциально возможной.

Наиболее близким по технической сущности и выполняемым функциям аналогом (прототипом) к заявляемой системе является высокоскоростная сетевая система передачи данных по нескольким электропроводным линиям связи (патент US №7596211 от 29.09.2009), содержащая блок подключения к телефонной сети общего пользования, блок подключения к сети передачи данных, контроллер доступа к данным, приемопередатчики центральной станции, сплиттер центральной станции, главный коммутационный блок, канал связи, коннекторы RJ11, сплиттеры абонентских окончаний, фильтры высоких частот, полосовые фильтры, фильтры низких частот, приемопередатчики абонентских окончаний, оконечные устройства передачи данных, оконечные устройства телефонной связи, при этом блок подключения к телефонной сети общего пользования соединен со сплиттером центральной станции, блок подключения к сети передачи данных через контроллер доступа к данным соединен со всеми приемопередатчиками центральной станции, а приемопередатчики центральной станции подключены к сплиттеру центральной станции, который через главный коммутационный блок соединен с каналом связи, а канал связи через коннекторы RJ11 подключен ко всем сплиттерам абонентских окончаний, при этом коннекторы RJ11 непосредственно соединены с соответствующими фильтрами высоких частот, полосовыми фильтрами и фильтрами низких частот, входящими в состав соответствующих сплиттеров абонентских окончаний, а фильтры высоких частот и полосовые фильтры подключаются к соответствующим приемопередатчикам абонентских окончаний, которые в свою очередь соединены с соответствующими оконечными устройствами передачи данных, а фильтры низких частот соединены с соответствующими оконечными устройствами телефонной связи.

При такой совокупности описанных элементов и связей достигается повышение скорости передачи информации за счет уменьшения влияния переходных помех путем согласования параметров передачи приемопередатчиков абонентских окончаний (фазы и спектральной плотности мощности передаваемых сигналов) с характеристиками канала связи.

Однако прототип имеет недостаток: линии связи рассматриваются как независимые пути передачи информации, а переходные помехи представлены только в виде аддитивного белого гауссова шума, при этом не учитывается априорная информация об используемых методах модуляции и кодирования, что, в свою очередь, ограничивает потенциальные возможности линий связи с точки зрения пропускной способности.

Задачей настоящего изобретения является разработка системы связи по многопарному кабелю связи, позволяющей увеличить скорость передачи информации за счет повышения согласованности несущих колебаний (базисных функций) с характеристиками канала связи, образованного совокупностью N электропроводных линий связи, каждая из которых объединяет K_m, подканалов, путем учета априорной информации об используемых методах модуляции и кодирования.

Эта задача решается тем, что система связи по многопарному кабелю связи, содержащая блок подключения к телефонной сети общего пользования, блок подключения к сети передачи данных, контроллер доступа к данным, приемопередатчики центральной станции, сплиттер центральной станции, главный коммутационный блок, канал связи, коннекторы RJ11, сплит-теры абонентских окончаний, фильтры высоких частот, полосовые фильтры, фильтры низких частот, приемопередатчики абонентских окончаний, оконечные устройства передачи данных, оконечные устройства телефонной связи, при этом блок подключения к телефонной сети общего пользования соединен со сплиттером центральной станции, блок подключения к сети передачи данных через контроллер доступа к данным соединен со всеми приемопередатчиками центральной станции, а приемопередатчики центральной станции подключены к сплиттеру центральной станции, который через главный коммутационный блок соединен с каналом связи, а канал связи через коннекторы RJ11 подключен ко всем сплиттерам абонентских окончаний, при этом коннекторы RJ11 непосредственно соединены с соответствующими фильтрами высоких частот, полосовыми фильтрами и фильтрами низких частот, входящими в состав соответствующих сплиттеров абонентских окончаний, а фильтры высоких частот и полосовые фильтры подключаются к соответствующим приемопередатчикам абонентских окончаний, которые в свою очередь соединены с соответствующими оконечными устройствами передачи данных, а фильтры низких частот соединены с соответствующими оконечными устройствами телефонной связи, согласно изобретению дополнена формирователями несущих колебаний абонентских окончаний и формирователем несущих колебаний центральной станции, при этом формирователи несущих колебаний абонентских окончаний соединены с соответствующими оконечными устройствами передачи данных, а формирователь несущих колебаний центральной станции соединен с блоком подключения к сети передачи.

Перечисленная новая совокупность существенных признаков обеспечивает возможность повышения скорости передачи информации, поскольку введенные формирователи несущих колебаний реализуют квазиоптимальное решение задачи построения систем несущих колебаний на входе и выходе линий связи, являющееся наиболее рациональным при введенных ограничениях, и повышают согласованность параметров передачи (фазы и спектральной плотности мощности передаваемых сигналов, формы несущих сигналов) с характеристиками канала связи.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие изобретения условию патентоспособности «новизна».

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Заявленное устройство поясняется чертежами, на которых показаны:

фиг.1 - общая структурная схема системы связи по многопарному кабелю связи;

фиг.2 - схема алгоритма работы формирователей несущих колебаний.

Система связи по многопарному кабелю связи, показанная на фиг.1, содержит блок подключения к телефонной сети общего пользования 1, блок подключения к сети передачи данных 2, контроллер доступа к данным 3, приемопередатчики центральной станции 4₁-4_N, сплиттер центральной станции 5, главный коммутационный блок 6, канал связи 7, коннекторы RJ11 8₁-8_N, сплиттеры абонентских окончаний 9₁-9_N, фильтры высоких частот 10₁-10_N, полосовые фильтры 11₁-11_N, фильтры низких частот 12₁-12_N, приемопередатчики абонентских окончаний 13₁-13_N, оконечные устройства передачи данных 14₁-14_N, оконечные устройства телефонной связи 15₁-15_N, формирователи несущих колебаний абонентских окончаний 16₁-16_N и формирователь несущих колебаний центральной станции 17. При этом блок подключения к телефонной сети общего пользования 1 соединен со сплиттером центральной станции 5, блок подключения к сети передачи данных 2 через контроллер доступа к данным 3 соединен со всеми приемопередатчиками центральной станции 4₁-4_N, а приемопередатчики центральной станции 4₁-4_N подключены к сплиттеру центральной станции 5, который через главный коммутационный блок 6 соединен с каналом связи 7, а канал связи 7 через коннекторы RJ11 8₁-8_N подключен ко всем сплиттерам абонентских окончаний 9₁-9_N, при этом коннекторы RJ11 8₁-8_N непосредственно соединены с соответствующими фильтрами высоких частот 10₁-10_N, полосовыми фильтрами 11₁-11_N и фильтрами низких частот 12₁-12_N, входящими в состав соответствующих сплиттеров абонентских окончаний 9₁-9_N, а фильтры высоких частот 10₁-10_N и полосовые фильтры 11₁-11_N подключаются к соответствующим приемопередатчикам абонентских окончаний 13₁-13_N, которые в свою очередь соединены с соответствующими оконечными устройствами передачи данных 14₁-14_N, а фильтры низких частот 12₁-12_N соединены с соответствующими оконечными устройствами телефонной связи 15₁-15_N, при этом формирователи несущих колебаний абонентских окончаний 16₁-16_N соединены с соответствующими оконечными устройствами передачи данных 14₁-14_N, а формирователь несущих колебаний центральной станции 17 соединен с блоком подключения к сети передачи 2.

Блок подключения к телефонной сети общего пользования 1 и блок подключения к сети передачи данных 2 предназначены для предоставления доступа к соответствующим сетям связи и описаны в книге (Б.С.Гольдштейн. Системы коммутации. - СПб.: БХВ-Петербург, 2003. - 318 с.) на страницах 167-180.

Контроллер доступа к данным 3 предназначен для централизованного управления доступом к групповым и индивидуальным сигналам соответствующих оконечных устройств и описан в книге (R. Kamal. Microcontrollers: Architecture, Programming, Interfacing and System Design. - Delhi: Pearson Education, 2009. - 640 с.) на страницах 219-228.

Приемопередатчики центральной станции 4₁-4_N и приемопередатчики абонентских окончаний 13₁-13_N предназначены для одновременной передачи и приема сигналов от абонентов к центральной станции и обратно, и описаны в книге (Нелинейные радиотехнические устройства военной техники связи. В.Б. Хопов и др. - ВАС, 1972. - 380 с.) на страницах 155-156 и 328-329.

Сплиттер центральной станции 5 и сплиттеры абонентских окончаний 9₁-9_N предназначены для разделения частотного диапазона, используемого для передачи сигналов телефонной сети общего пользования, от частотных диапазонов, используемых для передачи восходящего и нисходящего потоков данных сети передачи данных, и могут быть выполнены в виде комбинированных фильтров, описанных в книге (М. Мэндл. 200 избранных схем электроники. - М.: Мир, 1980. - 344 с.) на страницах 98-107.

Главный коммутационный блок 6 предназначен для соединения станционных кабелей связи с линейными кабелями связи и описан в книге (Г.А. Зуев, Л.И. Хачиров. Эксплуатация и ремонт абонентских устройств городских телефонных сетей. - М.: Высшая школа, 1981. - 272 с.) на страницах 120-123.

Канал связи 7 обеспечивает передачу сигналов от абонентов к центральной станции и обратно, образован совокупностью электропроводных линий связи и описан в книге (Теория электрической связи: Учебник для вузов / А.Г. Зюко, Д.Д. Кловский и др. - М.: Радио и связь, 1999. - 432 с.) на страницах 14-15.

Коннекторы RJ11 8₁-8_N предназначены для соединения абонентских линий связи с каналом связи 7 по стандартизованному физическому интерфейсу и описаны в книге (T.W. Ogletree. Upgrading and repairing networks. - New York: Que Publishing, 2004. - 1224 с.) на страницах 92-93.

Фильтры высоких частот 10₁-10_N пропускают высокочастотные и ослабляют низкочастотные составляющие сигнала и описаны в книге (М. Мэндл. 200 избранных схем электроники. - М.: Мир, 1980. - 344 с.) на страницах 103-106.

Полосовые фильтры 11₁-11_N пропускают сигналы частоты в установленных пределах, соответствующих передаче восходящего потока от абонентов к центральной станции, и описаны в книге (М. Мэндл. 200 избранных схем электроники. - М.: Мир, 1980. - 344 с.) на страницах 107-109.

Фильтры низких частот 12₁-12_N предназначены для пропускания низкочастотных сигналов при ослаблении сигналов более высоких частот и описаны в книге (М. Мэндл. 200 избранных схем электроники. - М.: Мир, 1980. - 344 с.) на страницах 98-101.

Оконечные устройства передачи данных 14₁-14_N предназначены для обработки, передачи и хранения данных абонентов, являются общеизвестными устройствами: например, персональными компьютерами, описанными в книге (В. Бройдо, О. Ильина. Архитектура ЭВМ и систем. - СПб.: Питер, 2009. - 720 с.).

Оконечные устройства телефонной связи 15₁-15_N служат главным образом для передачи и приема речевой информации и представляют собой общеизвестные устройства: например, телефонные аппараты, описанные в книге (Гольдштейн Б.С. Системы коммутации. - СПб.: БХВ-Петербург, 2003. - 318 с.) на страницах 38-42.

Формирователи несущих колебаний абонентских окончаний 16₁-16_N и формирователь несущих колебаний центральной станции 17 могут быть выполнены на базе микропроцессора (Б.В.Шевкоплес. Микропроцессорные структуры. Инженерные решения: Справочник. - М.: Радио и связь, 1990. - 512 с., страницы 7-13) и работают в соответствии с алгоритмом, представленным на фиг.2. В качестве последнего может быть использован 16-разрядный микропроцессор К1810 ВМ86 (Вениаминов В.Н. и др. Микросхемы и их применение: Справочное пособие. - М.: Радио и связь, 1989. - 240 с., страницы 161-167).

Промышленная применимость изобретения обусловлена тем, что оно может быть осуществлено с помощью современной элементной базы, с достижением указанного в изобретении назначения.

В ходе дальнейшего изложения для удобства вводятся обозначения:

- скалярного произведения функций x(t) и y(t) из бесконечномерного пространства непрерывных действительных функций:

,

- оператора Фредгольма (Васильева А.Б., Тихонов Н.А. Интегральные уравнения. - 2-е изд., стереот. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. - 160 с.):

,

,

где φ(t) и h(τ,t) - функции из бесконечномерного пространства непрерывных действительных функций (Васильева А.Б., Медведев Г.Н., Тихонов Н.А., Уразгильдина Т.А. Дифференциальные и интегральные уравнения, вариационное исчисление в примерах и задачах. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 432 с.).

С целью повышения скорости передачи информации за счет максимизации отношений сигнал/помеха в подканалах в ходе оптимизации системы базисных функций используется обобщенный показатель качества, представляющий собой минимальное значение отношения сигнал/помеха среди всех подканалов.

Задача определения оптимальной системы базисных функций формулируется в следующем виде (здесь и далее для сокращения записей опускается указание аргументов базисных функций и импульсных характеристик):

при ограничениях

, ,

где S_i,m(φ, φ') - средняя мощность полезного сигнала в i-м подканале m-й линии;

P_i,m(φ, φ') - средняя мощность помехи в i-м подканале m-й линии;

φ_i,m - i-я базисная функция (несущее колебание) на входе m-й линии;

- i-я базисная функция (несущее колебание) на выходе m-й линии.

Для решения поставленной оптимизационной задачи на поиск максимина используется метод сведения к задаче на максимум (Федоров В.В. Численные методы максимина. - М.: Наука, 1979. - 280 с.) с последующим применением обобщенного метода множителей Лагранжа (Таха X.А. Введение в исследование операций. 6-е издание. - М.: Издательский дом "Вильяме", 2001. - 912 с.).

При этом несущие колебания на входе линий связи определяются как решения интегральных уравнений:

где , , -параметр;

- математическое ожидание квадрата (i,m) координаты точки сигнального созвездия на входе линий связи;

h_i,m - импульсная характеристика i-й линейной системы m-й линии (Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник. - М.: Высш. школа., 1983. - 536 с.);

- дисперсия шума в m-й линии.

Несущие колебания на выходе линий связи определяются как решения интегральных уравнений:

Решение уравнений (4) и (5) в общем виде для произвольных импульсных характеристик не существует, что предопределяет использование численных методов. Наиболее предпочтительным методом решения является сведение ядра интегрального уравнения к вырожденному (Васильева А.Б., Тихонов Н.А. Интегральные уравнения. - 2-е изд., стереот. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. - 160 с.).

Таким образом, решение задачи формирования несущих колебаний (1) согласно выражениям (4) и (5) в соответствии с выбранным критерием при условии выполнения введенных ограничений (2) и (3) позволяет максимизировать минимальное значение отношения сигнал/помеха среди всех подканалов, следствием чего является согласование формы несущих колебаний с характеристиками канала связи. Тем самым достигается увеличение скорости передавачи информации для систем связи, одновременно использующих несколько линий, за счет учета априорной информации о применяемых методах кодирования (путем использования статистических свойств источника сообщений) и модуляции (путем учета свойств несущих колебаний, согласованных с импульсными характеристиками подканалов) (Григорьев В.А., Григорьев С.В. Сигнально-кодовые конструкции. - СПб.: ВАС, 1997. - 148 с.).

Заявляемое устройство работает следующим образом. Перед началом сеанса связи оконечные устройства передачи данных 14₁-14_N формируют испытательные сигналы и передают их по соответствующим электропроводным линиям связи канала связи 7. Соответствующие приемопередатчики центральной станции 4₁-4_N, передают параметры принятых испытательных сигналов (фазу, спектральную плотность мощности), значения импульсных характеристик h_i,m и дисперсий шума соответствующим формирователям несущих колебаний абонентских окончаний 16₁-16_N. После приема параметров испытательных сигналов и характеристик канала связи 7, формирователи несущих колебаний абонентских окончаний 16₁-16_N определяют системы несущих колебаний на входе линий связи для передачи восходящего потока информации от абонентов к центральной станции и системы несущих колебаний на выходе линий связи для передачи нисходящего потока информации от центральной станции к абонентам в соответствии с алгоритмом, представленным на фиг.2. Сформированные системы несущих колебаний поступают в приемопередатчики абонентских окончаний 13₁-13_N.

Далее приемопередатчики центральной станции 4₁-4_N аналогичным образом передают испытательные сигналы по соответствующим электропроводным линиям связи канала связи 7. Получив параметры переданных испытательных сигналов и характеристик канала связи 7 от соответствующих приемопередатчиков абонентских окончаний 13₁-13_N, формирователь несущих колебаний центральной станции 17 определяет системы несущих колебаний на выходе линий связи для передачи восходящего потока информации от абонентов к центральной станции и системы несущих колебаний на входе линий связи для передачи нисходящего потока информации от центральной станции к абонентам в соответствии с алгоритмом, представленным на фиг.2. Сформированные системы несущих колебаний поступают в приемопередатчики центральной станции 4₁-4_N. Таким образом, процедура подстройки несущих колебаний в восходящем и нисходящем направлениях закончена.

Сеанс связи в восходящем направлении (от абонента к центральной станции) осуществляется следующим образом. Оконечные устройства передачи данных 14₁-14_N передают соответствующим приемопередатчикам абонентских окончаний 13₁-13_N кодированную информацию, поступающую от соответствующих абонентов. Восходящий поток информации при поступлении на приемопередатчики абонентских окончаний 13₁-13_N уплотняется и модулируется с использованием несущих частот, полученных в формирователях несущих колебаний абонентских окончаний 16₁-16_N на этапе подстройки несущих колебаний, а затем поступает к соответствующим полосовым фильтрам 11₁-11_N сплиттеров абонентских окончаний 9₁-9_N. Оконечные устройства телефонной связи 15₁-15_N подают сигналы телефонной связи от абонентов на соответствующие фильтры низких частот 12₁-12_N сплиттеров абонентских окончаний 9₁-9_N. Сплиттеры абонентских окончаний 9₁-9_N в восходящем направлении объединяют частотный диапазон, выделенный фильтрами низких частот 12₁-12_N и используемый для передачи сигналов телефонной связи, с частотным диапазоном, выделенным полосовыми фильтрами 11₁-11_N и используемым для передачи восходящего потока данных сети передачи данных. Сигналы от сплиттеров абонентских окончаний 9₁-9_N передаются по соответствующим абонентским (соединительным) электропроводным линиям связи и через соответствующие коннекторы RJ11 8₁-8_N поступают в канал связи 7. После прохождения канала связи 7 восходящий поток поступает в главный коммутационный блок 6, обеспечивающий подключение канала связи 7 к центральной станции, а затем в сплиттер центральной станции 5, разделяющий сигналы телефонной связи и сигналы сети передачи данных. Сигналы телефонной связи от сплиттера центральной станции 5 через блок подключения к телефонной сети общего пользования 1 направляются в телефонную сеть общего пользования. Сигналы сети передачи данных от сплиттера центральной станции 5 поступают в приемопередатчики центральной станции 4₁-4_N, где осуществляется их детектирование и разуплотнение с использованием несущих частот, полученных в формирователе несущих колебаний центральной станции 17 на этапе подстройки несущих колебаний. Сигналы сети передачи данных от совокупности приемопередатчиков центральной станции 4₁-4_N поступают в контроллер доступа к данным 3, который обеспечивает их кодовое уплотнение, а затем через блок подключения к сети передачи данных 2 передаются в сеть передачи данных.

Сеанс связи в нисходящем направлении (от центральной станции к абоненту) осуществляется следующим образом. Нисходящий поток данных из сети передачи данных через блок подключения к сети передачи данных 2 поступает в контроллер доступа к данным 3, который осуществляет кодовое разуплотнение. Далее сигналы нисходящего потока поступают в соответствующие приемопередатчики центральной станции 4₁-4_N, где модулируются с использованием несущих частот, полученных в формирователе несущих колебаний центральной станции 17 на этапе подстройки несущих колебаний. Модулированные сигналы нисходящего потока в сплиттере центральной станции 5 объединяются с сигналами телефонной связи, поступающими из телефонной сети общего пользования через блок подключения к телефонной сети общего пользования 1, а затем поступают в главный коммутационный блок 6, обеспечивающий подключение канала связи 7 к центральной станции. После прохождения канала связи 7 нисходящий поток через соответствующие коннекторы RJ11 8₁-8_N поступает на соответствующие фильтры высоких частот 10₁-10_N, полосовые фильтры 11₁-11_N фильтры низких частот 12₁-12_N соответствующих сплиттеров абонентских окончаний 9₁-9_N. Сплиттеры абонентских окончаний 9₁-9_N в нисходящем направлении разделяют частотный диапазон, используемый для передачи сигналов телефонной связи, и частотный диапазон, используемый для передачи нисходящего потока данных сети передачи данных. При этом сигналы телефонной связи, выделенные фильтрами низких частот 12₁-12_N, поступают к соответствующим оконечным устройствам телефонной связи 15₁-15_N и доводятся до абонентов, а сигналы сети передачи данных, выделенные фильтрами высоких частот 10₁-10_N, передаются соответствующим приемопередатчикам абонентских окончаний 13₁-13_N, которые осуществляют их детектирование и разуплотнение с использованием несущих частот, полученных в соответствующих формирователях несущих колебаний абонентских окончаний 16₁-16_N на этапе подстройки несущих колебаний. Сигналы сети передачи данных от совокупности приемопередатчиков абонентских окончаний 13₁-13_N поступают в соответствующие оконечные устройства передачи данных 14₁-14_N и доводятся до абонентов.

Таким образом, при такой совокупности существенных признаков повышается согласованность параметров передачи (фазы и спектральной плотности мощности передаваемых сигналов, формы несущих сигналов) с характеристиками канала связи, что приводит к повышению скорости передачи информации.