СИСТЕМА СВЯЗИ ПО ЦИФРОВЫМ АБОНЕНТСКИМ ЛИНИЯМ

Полезная модель относится к технике связи, а именно, к мультиплексным системам с кодовым разделением, и предназначено для использования при построении систем передачи информации по нескольким цифровым абонентским линиям.
Одной из важнейших проблем современной теории и техники связи является повышение эффективности систем передачи информации. В этой связи представляется актуальным вопрос близкого к оптимальному использования ресурса физических линий связи, находящихся в эксплуатации. Применительно к сетям доступа, использующим технологии цифровых абонентских линий, эта задача выражается в требовании повышения помехоустойчивости систем передачи информации 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 повышения эффективности систем передачи информации по цифровым абонентским линиям является подход, заключающийся в возможности многопарного связывания нескольких цифровых абонентских линий в единый канал передачи данных (Golden P. Fundamentals of DSL Technology / Р.Golden, H.Dedieu, K.S.Jacobsen. - New York: Auerbach Publications, 2006. - 454 p.).
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. Данная сеть передачи данных позволяет повысить эффективность передачи за счет уменьшения влияния переходных помех между линиями связи.
Недостатками данного аналога являются рассмотрение линий связи в виде независимых путей передачи информации и учет переходных помех только в виде аддитивного белого гауссова шума. В этом случае не используется априорная информация о применяемых методах модуляции и кодирования во всех линиях связи, объединенных в сеть. При этом для реализации процессов модуляции/демодуляции в качестве системы базисных функций выбираются функции основной тригонометрической системы (Теория электрической связи: Учебник для вузов / А.Г.Зюко, Д.Д.Кловский и др. - М.: Радио и связь, 1999. - 432 с.). Однако известно, что такой выбор не является оптимальным (Галлагер Р. Теория информации и надежная связь. Пер. с англ., под ред. М.С.Пинскера и Б.С.Цыбакова. - М.: Советское радио, 1974. - 720 с.). Указанные недостатки обуславливают снижение помехоустойчивости сети передачи данных по сравнению с потенциально возможной.
Наиболее близким по технической сущности и выполняемым функциям аналогом (прототипом) к заявляемой системе является высокоскоростная система передачи по цифровым абонентским линиям (патент US №7639596 от 29.12.2009), содержащая контроллер, пользовательское оконечное устройство, пользовательский блок векторной обработки, цифровые абонентские линии, блок векторной обработки центральной станции, центральную станцию, при этом контроллер соединен с пользовательским оконечным устройством, пользовательским блоком векторной обработки, блоком векторной обработки центральной станции и центральной станцией, а пользовательское оконечное устройство подключено к пользовательскому блоку векторной обработки, при этом пользовательский блок векторной обработки соединен со всеми цифровыми абонентскими линиями, которые подключены к блоку векторной обработки центральной станции, а блок векторной обработки центральной станции соединен с центральной станцией.
При такой совокупности описанных элементов и связей достигается повышение скорости передачи информации за счет применения технологии векторной обработки сигналов при передаче по цифровым абонентским линиям.
Однако прототип имеет недостатки: переходные помехи представлены только в виде аддитивного белого гауссова шума, в этом случае при построении систем базисных функций не используется априорная информация о применяемых методах модуляции и кодирования во всех цифровых абонентских линиях. При этом в качестве несущих колебаний также выбираются функции основной тригонометрической системы, что не является оптимальным решением и ограничивает потенциальные возможности линий связи с точки зрения помехоустойчивости.
Задачей настоящей полезной модели является разработка системы связи по цифровым абонентским линиям, позволяющей повысить помехоустойчивость за счет выбора систем базисных функций, используемых при модуляции/демодуляции, с учетом априорной информации о применяемых методах кодирования и модуляции во всех цифровых абонентских линиях и в зависимости от характеристик канала связи, образованного совокупностью L цифровых абонентских линий, каждая из которых объединяет N подканалов.
Эта задача решается тем, что система связи по цифровым абонентским линиям, содержащая контроллер, пользовательское оконечное устройство, пользовательский блок векторной обработки, цифровые абонентские линии, блок векторной обработки центральной станции, центральную станцию, при этом контроллер соединен с пользовательским оконечным устройством, пользовательским блоком векторной обработки, блоком векторной обработки центральной станции и центральной станцией, а пользовательское оконечное устройство подключено к пользовательскому блоку векторной обработки, при этом пользовательский блок векторной обработки соединен со всеми цифровыми абонентскими линиями, которые подключены к блоку векторной обработки центральной станции, а блок векторной обработки центральной станции соединен с центральной станцией, согласно полезной модели дополнена блоком построения системы базисных функций, при этом блок построения системы базисных функций соединен с пользовательским блоком векторной обработки и блоком векторной обработки центральной станции.
Перечисленная новая совокупность существенных признаков обеспечивает возможность повышения помехоустойчивости системы связи, поскольку введенный блок построения системы базисных функций на основании априорной информации о применяемых методах модуляции и кодирования во всех цифровых абонентских линиях, а также в зависимости от характеристик цифровых абонентских линий осуществляет квазиоптимальный выбор системы базисных функций, используемых при модуляции/демодуляции, являющийся наиболее рациональным при введенных ограничениях. Доказательство возможности повышения помехоустойчивости за счет оптимального выбора системы базисных функций представлено в книге (Галлагер Р. Теория информации и надежная связь. Пер. с англ., под ред. М.С.Пинскера и Б.С.Цыбакова. - М.: Советское радио, 1974. - 720 с.) на страницах 401-407.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие полезной модели условию патентоспособности «новизна».
Заявленное устройство поясняется чертежами, на которых показаны:
фиг.1 - общая структурная схема системы связи по цифровым абонентским линиям;
фиг.2 - схема алгоритма работы блока построения системы базисных функций.
1
N
1
N
Система связи по цифровым абонентским линиям, показанная на фиг.1, содержит контроллер 1, пользовательское оконечное устройство 2, пользовательский блок векторной обработки 3, цифровые абонентские линии 4-4, блок векторной обработки центральной станции 5, центральную станцию 6, блок построения системы базисных функций 7. При этом контроллер 1 соединен с пользовательским оконечным устройством 2, пользовательским блоком векторной обработки 3, блоком векторной обработки центральной станции 5 и центральной станцией 6, а пользовательское оконечное устройство 2 подключено к пользовательскому блоку векторной обработки 3, при этом пользовательский блок векторной обработки 3 соединен со всеми цифровыми абонентскими линиями 4-4,  которые подключены к блоку векторной обработки центральной станции 5, а блок векторной обработки центральной станции 5 соединен с центральной станцией 6, при этом блок построения системы базисных функций 7 соединен с пользовательским блоком векторной обработки 3 и блоком векторной обработки центральной станции 5.
Контроллер 1 предназначен для управления процессом передачи информации в системе, может быть выполнен на базе сигнальных микроконтроллеров 1892ВМ4Я производства ГУП НПЦ "ЭЛВИС" (Отечественные трехъядерные сигнальные микроконтроллеры с производительностью 1,5 GFLOPS // Т.Солохина и др. - Электронные компоненты. - 2006. - №6. - С.73-78.) и работает в соответствии с алгоритмом, представленным в патенте US №7639596 от 29.12.2009.
Пользовательское оконечное устройство 2 предназначено для обработки, передачи и хранения данных пользователя, является общеизвестным устройством: например, персональным компьютером, описанным в книге (В.Бройдо, О.Ильина. Архитектура ЭВМ и систем. - СПб.: Питер, 2009. - 720 с.).
1
N
Пользовательский блок векторной обработки 3 и блок векторной обработки центральной станции 5 предназначены для повышения скорости передачи за счет совместной обработки сигналов, передаваемых по всем цифровым абонентским линиям 4-4, могут быть выполнены на базе сигнальных микроконтроллеров 1892ВМ4Я производства ГУП НПЦ "ЭЛВИС" и работают в соответствии с алгоритмами, описанными в статье (Vectored Transmission for Digital Subscriber Line Systems // G.Ginis, J.Cioffi. - IEEE Journal on selected areas in communications. Vol.20, No.5, June 2002, pp.1085-1104) на страницах 1085-1093.
1
N
Цифровые абонентские линии 4-4 обеспечивает передачу сигналов от пользовательского блока векторной обработки 3 к блоку векторной обработки центральной станции 5 и обратно и описаны в книге (Golden P.Fundamentals of DSL Technology / Р.Golden, H.Dedieu, K.S.Jacobsen. - New York: Auerbach Publications, 2006. - 454 p.) на страницах 132-143.
Центральная станция 6 является общеизвестным устройством, описанным, например, в книге (Golden P. Fundamentals of DSL Technology / Р.Golden, H.Dedieu, K.S.Jacobsen. - New York: Auerbach Publications, 2006. - 454 p.) на страницах 127-129.
Блок построения системы базисных функций 7 также может быть выполнен на базе сигнальных микроконтроллеров 1892ВМ4Я производства ГУП НПЦ "ЭЛВИС" и работает в соответствии с алгоритмом, представленным на фиг.2.
Промышленная применимость полезной модели обусловлена тем, что она может быть осуществлена с помощью современной элементной базы, с достижением указанного в полезной модели назначения.
Вектор-столбец из N отсчетов на выходе i-й линии связи в соответствии с (Vectored Transmission for Digital Subscriber Line Systems // G.Ginis, J.Cioffi. - IEEE Journal on selected areas in communications, Vol.20, No.5, June 2002, pp.1085-1104) определяется на основании выражения:
i,j
где H, ,  - N×N - матрица, соответствующая импульсной характеристике j-й линейной системы i-й линии (Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник. - М.: Высш. школа., 1983. - 536 с.);
i
x - вектор-столбец из N отсчетов на входе i -и линии связи;
i
n - вектор-столбец из N отсчетов аддитивного белого гауссова шума на входе i-й линии связи,
В общем виде для всех линий связи выражение (1) записывается следующим образом:
где ;
i,j
H - канальная блочная матрица, (i, j) блок которой равен H;
;
.
Применение принципа модуляции, основанного на использовании пары прямого и обратного дискретных преобразований Фурье над принимаемыми и передаваемыми блоками данных соответственно (Data transmission by frequency-division multiplexing using the discrete Fourier transform // S.B.Weinstein, P.М.Ebert. - IEEE Trans. Commun. Technol., vol. CT-19, pp.626-634, Oct. 1971), приводит к выражению:
где ;
;
IDFT
- блочная матрица с блоками Q на главной диагонали и нулевыми элементами вне главной диагонали;
IDFT
Q - N×N - матрица обратного дискретного преобразования Фурье (Марпл. - мл. С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990. - 584 с., ил.);
mIDFT
- транспонированная комплексно-сопряженная матрица к матрице Q.
IDFT
- транспонированная комплексно-сопряженная матрица к матрице Q, представляющая собой N×N - матрицу прямого дискретного преобразования Фурье;
1
2
i
i
diag(e, e, …, e),  - матрица с элементами (блоками) e на главной диагонали и нулевыми элементами (блоками) вне главной диагонали.
mDFT
mIDFT
mDFT
mIDFT
Известно, что использование комплексных синусоидальных функций для заполнения матриц Q и Q, отвинчивает потенциальные возможности системы передачи с точки зрения помехоустойчивости (Галлагер Р. Теория информации и надежная связь. Пер. с англ., под ред. М.С.Пинскера и Б.С.Цыбакова. - М.: Советское радио, 1974. - 720 с.). Для повышения помехоустойчивости в предлагаемой полезной модели для формирования матриц Q и Q используются базисные функции, полученные в ходе решения соответствующей оптимизационной задачи в зависимости от характеристик канала связи и с учетом априорной информации о применяемых методах модуляции и кодирования во всех цифровых абонентских линиях.
При дальнейшем изложении 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.).
Помехоустойчивость системы передачи информации, использующей непрерывные по уровню сигналы, принято оценивать отношением средних мощностей (энергий) полезного сигнала и помехи (отношение сигнал/помеха, ОСП) поскольку оно монотонно связано с вероятностью правильного приема (Теория электрической связи: Учебник для вузов / А.Г.Зюко, Д.Д.Кловский и др. - М.: Радио и связь, 1999. - 432 с.).
По этой причине 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
a,b
a
где S(φ, φ') - средняя мощность полезного сигнала в -м подканале b-й линии;
a,b
a
P(φ, φ') - средняя мощность помехи в -м подканале b-й линии;
a,b
a
φ - -я базисная функция (несущее колебание) на входе b-й линии;
a
- -я базисная функция (несущее колебание) на выходе b-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 "Вильямс", 2001. - 912 с.).
При этом несущие колебания на входе линий связи определяются как решения интегральных уравнений:
где , ,  - параметр;
a
- математическое ожидание квадрата (, b) координаты точки сигнального созвездия на входе линий связи;
a,b
a
h - импульсная характеристика -й линейной системы b-й линии (Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник. - М.: Высш. школа., 1983. - 536 с.);
- дисперсия шума в b-й линии.
Несущие колебания на выходе линий связи определяются как решения интегральных уравнений:
Решение уравнений (7) и (8) 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.).
mDFT
mIDFT
Таким образом, решение задачи формирования несущих колебаний (4) согласно выражениям (7) и (8) в соответствии с выбранным критерием при условии выполнения введенных ограничений (5) и (6) позволяет максимизировать минимальное значение отношения сигнал/помеха среди всех подканалов. Полученное решение учитывает априорную информацию о применяемых методах модуляции и кодирования во всех цифровых абонентских линиях, является согласованным с характеристиками линий связи, а формирование матриц Q и Q с использованием полученных базисных функций позволяет повысить помехоустойчивость рассматриваемой системы связи по цифровым абонентским линиям.
i,l
При этом согласно (Прокис Д. Цифровая связь. Пер. с англ. / Под. ред. Д.Д.Кловского. - М.; Радио и связь, 2000. - 800 с.) матрица  представляет собой диагональную блочную матрицу, а l-й столбец матрицы ,  образован вектор-столбцом из N отсчетов базисной функции φ. Матрица  также является диагональной блочной, при этом l-й столбец матрицы ,  образован вектор-столбцом из N отсчетов базисной функции .
Строгое теоретическое обоснование возможности повышения помехоустойчивости за счет оптимального выбора системы базисных функций представлено в книге (Галлагер Р. Теория информации и надежная связь. Пер. с англ., под ред. М.С.Пинскера и Б.С.Цыбакова. - М.: Советское радио, 1974. - 720 с.) на страницах 401-407 и в книге (Ван Трис Г. Теория обнаружения, оценок и модуляции. Том I. Пер. с англ., под ред. проф. В.И.Тихонова. - М.: Советское радио, 1972. - 744 с.) на страницах 203-223.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
1
N
a,b
1
N
mDFT
mIDFT
1
N
Перед началом сеанса связи пользовательский блок векторной обработки 3 и блок векторной обработки центральной станции 5 по команде контроллера 1 обмениваются испытательными сигналами по всем цифровым абонентским линиям 4-4 и оценивают значения импульсных характеристик h и дисперсий шума . После оценки характеристик цифровых абонентских линий 4-4 пользовательский блок векторной обработки 3 и блок векторной обработки центральной станции 5 подают запросы в блок построения системы базисных функций 7. Блок построения системы базисных функций 7 определяет системы базисных функций на входе и выходе линий связи в соответствии с алгоритмом, представленным на фиг.2, формирует матрицы Q и Q, передает полученные матрицы в пользовательский блок векторной обработки 3 и блок векторной обработки центральной станции 5. Таким образом, процедура выбора систем базисных функций, используемых при модуляции/демодуляции, в зависимости от характеристик цифровых абонентских линий 4-4 закончена.
1
N
1
N
Далее осуществляется непосредственно сеанс связи. Пользовательское оконечное устройство 2 по команде контроллера 1 передает информационные сигналы от пользователя в пользовательский блок векторной обработки 3, где осуществляется предварительная векторная обработка всех сигналов для передачи по всем цифровым абонентским линиям 4-4 с целью снижения переходных помех. Пользовательский блок векторной обработки 3 по команде контроллера 1 передает преобразованные сигналы в цифровые абонентские линии 4-4, после прохождения которых сигналы поступают в блок векторной обработки центральной станции 5. По команде контроллера 1 блок векторной обработки центральной станции 5 осуществляет векторную постобработку принятых сигналов и передает преобразованные сигналы в центральную станцию 6. Таким образом, осуществлен процесс передачи информации от пользовательского оконечного устройства 2 к центральной станции 6. Сеанс связи в обратном направлении происходит в обратном порядке и может осуществляться одновременно.
1
N
Таким образом, при такой совокупности существенных признаков обеспечивается квазиоптимальный выбор систем базисных функций, используемых при модуляции/демодуляции. При этом учитывается априорная информация о применяемых методах модуляции и кодирования во всех линиях связи, а полученные базисные функции оказываются согласованными с характеристиками цифровых абонентских линий 4-4, что приводит к повышению помехоустойчивости системы связи по цифровым абонентским линиям.