Настоящее изобретение относится к способу и системе для определения запасов ресурсов передачи данных для сетевых соединений, причем в указанных способе и системе физическая длина сетевого соединения между передатчиком и приемником известна. В особенности способ касается сетей, основанных на кабельных соединениях с медными жилами.
Традиционные услуги телефонной связи, такие как POTS (обычная телефонная сеть), соединяют традиционным образом жилые помещения и малые предприятия с распределительной станцией провайдера телефонной сети по медным проводам, которые свиты друг с другом и называются скрученной парой. Они первоначально предназначались для того, чтобы обеспечивать передачу аналоговых сигналов, в частности, тональных и речевых передач. Однако эти требования позже с приходом технологии Интернет и связанной с этим передачей потоков данных изменились и стремительно продолжают изменяться в настоящее время вследствие потребности в обеспечении возможности работы в реальном времен и с использованием мультимедийных приложений как в домашних условиях, так и на работе.
Сети передачи данных, например, интранет и Интернет, основываются в значительной степени на так называемых совместно используемых средах передачи, например, на технологиях пакетно-ориентированных локальных сетей (LAN) или сетей широкого охвата (WAN), как для широкополосных магистралей сети между коммутаторами и шлюзами, так и локальных сетевых соединений с полосами пропускания меньшей ширины. Широко распространено использование систем управления пакетами, таких как мосты (устройства сопряжения локальных сетей) или маршрутизаторы, чтобы обеспечивать соединение локальных сетей с Интернет. Интернет-маршрутизатор должен иметь возможность передавать пакеты на основе самых различных протоколов, таких как IP (Интернет-протокол), IPX (межсетевой пакетный обмен), DECNET (протокол сетевой архитектуры компании DEC), AppleTALK (стек сетевых протоколов фирмы Apple), OSI (взаимодействие открытых систем), SNA (системная сетевая архитектура компании IBM) и т.д. Интеграция таких сетей, в целях маршрутизации пакетов в глобальном масштабе, является проблемой как для поставщиков услуг (провайдеров), так и для изготовителей необходимых аппаратных средств.
Наиболее употребительные системы локальных сетей (LAN) работают относительно хорошо при скоростях передачи данных порядка 100 Мбит/с. При скоростях передачи выше 100 Мбит/с в большинстве современных сетей ресурсов сетевых администраторов, таких как коммутаторы пакетов, недостаточно для управления распределением ширины полосы (присваиванием) и доступом пользователей. Разумеется, полезность пакетно-ориентированных сетей для передачи цифровой информации, особенно при кратковременных импульсных передачах, уже давно признана. Такие сети обычно имеют структуру «из точки к точке» (двухточечную структуру соединений), причем пакет направляется от одного единственного отправителя к одному единственному получателю, при этом каждый пакет включает в себя, по меньшей мере, целевой адрес (адрес получателя). Типовой пример этого представляет известный IP-заголовок IP-пакета данных. Сеть реагирует на пакет данных тем, что направляет пакет на адрес соответствующего заголовка. Пакетно-ориентированные сети могут также служить для того, чтобы передавать типы данных, которым необходим непрерывный поток данных, как, например, тональные и аудиопередачи с высоким качеством или видеопередачи. Коммерческое использование сетей делает особенно желательным, чтобы пакетно-ориентированная передача одновременно была возможна и к множеству пунктов назначения. Примером этого может служить так называемая пакетная трансляция для передачи видео- и аудиоданных. Таким образом может быть реализовано платное телевидение, то есть платная трансляция передач видеоданных по сети.
Однако в приложениях следующего поколения, таких как приложения реального времени и мультимедийные приложения с их еще более высокими потребностями к ширине полосы, которая должна быть гарантирована в каждый момент времени, пакетно-ориентированные сети наталкиваются на ограничения. Так, следующее поколение сетей должно иметь возможность динамически изменять конфигурацию сетей, чтобы имеет возможность постоянно гарантировать пользователю предварительно определенную ширину полосы для требуемых или согласованных параметров качества (QoS - качество обслуживания). Такие параметры качества включают в себя, например, гарантию доступа, производительность доступа, допуск на ошибки, надежность передачи данных и т.д. между всеми возможными оконечными системами. Новые технологии, такие как режим асинхронной передачи (АТМ), должны при этом способствовать тому, чтобы в долговременном развитии сетей создать требуемые предпосылки как для частной сети интранет, так и для сети открытого доступа Интернет. Эти технологии обещают более экономичное и масштабируемое решение для таких гарантированных за счет параметров QoS высококачественных соединений.
Изменение будущих систем затронет, в частности, и поток данных. Поток данных в настоящее время основывается на модели сервер-клиент, то есть данные от множества клиентов передаются к одному или нескольким или от одного или нескольких сетевых серверов. Клиенты обычно не создают прямого соединения передачи данных, а осуществляют связь друг с другом через сетевые серверы. Данный тип соединения будет иметь свое значение и в будущем. Несмотря на это, следует ожидать, что объем данных, передаваемый между одноранговыми узлами, в будущем сильно возрастет. Так как конечной целью сетей, чтобы удовлетворить предъявляемые требования, будет действительно децентрализованная структура, в которой все системы будут иметь возможность действовать как сервер и как клиент, то поток данных по соединениям между одноранговыми узлами возрастет. Тем самым сеть должна будет создавать больше прямых соединений с различными одноранговыми узлами, причем, например, настольные компьютеры будут осуществлять прямые соединения через магистральные сети Интернет.
Таким образом, ясно, что для перспективных приложений все более важным становится обеспечение возможности гарантировать пользователю предварительно определенные параметры QoS и большие значения ширины полосы.
Для передачи данных к конечному пользователю, в частности, используется традиционная телефонная сеть общего пользования (PTSN) и/или мобильная наземная сеть общего доступа (PLMN), которые первоначально были разработаны для передачи только тональных сигналов, а не для передачи таких объемов цифровых данных. При этом при определении параметров QoS, которые провайдер или поставщик услуг телефонной связи может гарантировать пользователю, решающую роль играет так называемая «последняя миля». Этим термином определено расстояние между последней распределительной станцией телефонной сети общего пользования и конечным пользователем. Эта последняя миля в отдельных случаях образована высокопроизводительными стекловолоконными кабелями, однако чаще всего основывается на обычных кабелях с медными жилами, как, например, кабель с диаметром жил 0,4 или 0,6 мм. К тому же кабели не везде проложены под землей в защищенном кабелепроводе, а существуют и участки их прокладки над местностью на телефонных столбах и т.п. Следствием этого являются дополнительные помехи.
Дополнительной проблемой при определении максимального параметра QoS является так называемая проблематика перекрестных помех. Эта проблема возникает при модуляции сигнала на участке, например, от конечного пользователя до распределительной станции провайдера телефонных услуг и обратно. Для модуляции цифровых сигналов в уровне техники известны, например, технологии xDSL (цифровая абонентская линия), такие как ADSL (асимметричная цифровая абонентская линия), SDSL (симметричная цифровая абонентская линия), HDSL (высокоскоростная цифровая абонентская линия) или VDSL (сверхвысокоскоростная цифровая абонентская линия). Упомянутая перекрестная помеха представляет собой физическое явление, которое проявляется при модуляции данных, передаваемых по медному кабелю. Расположенные рядом жилы внутри одного медного кабеля получают за счет электромагнитного взаимодействия парные составляющие сигналов, которые вырабатываются модемом. Это приводит к тому, что модемы xDSL, осуществляющие передачу по смежным жилам кабеля, создают взаимные помехи. Различают перекрестную помеху ближнего конца (NEXT), которая относится к непреднамеренному вводу сигналов передатчика на одном конце в сигналы в приемнике на том же конце, и перекрестную помеху дальнего конца (FEXT), которая относится к непреднамеренному вводу сигналов при передаче к приемнику на другом конце, причем сигналы при передаче вводятся в сигналы соседних медных пар и в приемнике проявляются как шумы.
Хотя в настоящее время имеется множество исследований перекрестных помех xDSL, как, например, «Spectral management on metallic access networks; Part 1: Definitions and signal library», ETSI (European Telecommunications Standards Institute), TR 101 830, September 2000, вследствие сложности явления перекрестной помехи и остальных параметров шумов в настоящее время имеется мало практичных и технически простых для использования, а также экономичных вспомогательных средств для определения параметров QoS для определенного конечного пользователя в сети. В уровне техники известны системы дистанционного измерения, предложенные различными фирмами, например, Acterna (WG SLK-11/12/22, Eningen u.A, Германия), Trend Communications (LT2000 Line Tester, www.trendcomms.com, Buckinghamshire, Великобритания) и т.д. При этом максимальные скорости передачи данных на последней миле определяются за счет прямых измерений посредством систем дистанционного измерения: цифровой процессор сигналов устанавливается на каждой локальной распределительной станции провайдера сети телефонной связи (например, в Швейцарии несколько тысяч). Посредством цифрового процессора сигналов проводится так называемое «несимметричное измерение», так как у пользователя на другой стороне последней мили не требуется устанавливать никакие приборы. Но принципиально также возможны измерения по принципу «симметричных измерений». Но при этом необходима установка измерительных приборов на обоих концах линии.
Недостатки указанного уровня техники включают, в том числе, высокие затраты, обусловленные необходимой установкой систем дистанционного измерения в каждой локальной распределительной станции, неточно известную неопределенность или неизвестную ошибку при измерении, так как измерения проводятся только с одной стороны (несимметричные измерения), а для определения ошибки потребовалось бы осуществлять двусторонние измерения. Двустороннее измерение было бы нецелесообразным из-за трудовых, временных и финансовых затрат. Кроме того, в уровне техники не известны алгоритмы с аппаратной или программной реализацией для расчета или прогнозирования максимально возможных скоростей передачи битов сетевого соединения. Установка систем дистанционного измерения на меньшем количестве центральных распределительных станций вместо локальных оконечных распределительных станций показывает, что измерениям свойственна настолько высокая степень неопределенности, что они не пригодны для определения максимально возможной скорости передачи данных для конкретной линии к оконечному пользователю.
Задачей изобретения является создание нового способа, системы и компьютерного программного продукта для определения запасов ресурсов передачи данных для сетевых соединений, не имеющих описанных выше недостатков. В особенности, такие запасы ресурсов и/или максимальные скорости передачи битов для определенного пользователя или сетевого подключения могут быть определены быстро и гибким образом, не требуя несоразмерных технических, трудовых и финансовых затрат.
В соответствии с изобретением эта задача решается в особенности за счет признаков независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления вытекают из зависимых пунктов формулы изобретения и описания.
В особенности указанные результаты достигаются в изобретении тем, что для определения запасов ресурсов передачи данных для сетевых соединений, причем физическая длина определяемого сетевого соединения между передатчиком и приемником известна, измеряется энергетический спектр в зависимости от частоты передачи для возможных типов модемов с помощью устройства измерения мощности и переносится на носитель данных вычислительного блока, с помощью вычислительного блока определяется ослабление для различных физических длин и толщин жил кабеля сетевого соединения, и эффективные уровни сигнала в приемнике, основанные на ослаблении, а также энергетическом спектре, соотнесенные с соответствующими физическими длинами и толщинами жил кабеля (то есть диаметрами жил кабеля), сохраняются в первом списке на носителе данных вычислительного блока, во втором списке на носителе данных вычислительного устройства сохраняется уровень шума, соотнесенный с физическими длинами и толщинами жил кабеля сетевого соединения, при этом уровень шума определяется посредством вычислительного блока в зависимости, по меньшей мере, от параметров перекрестной помехи и числа источников помех на основе энергетического спектра, вычислительный блок посредством модуля гауссова преобразования на основе эффективных уровней сигнала из первого списка и соответствующих уровней шума из второго списка для различных модуляций передачи данных и/или модулирующих кодов определяет запасы ресурсов передачи данных для предварительно определенной скорости передачи битов и в соотнесении с соответствующими физическими длинами и толщинами жил кабеля сетевого соединения сохраняет на носителе данных вычислительного блока, вычислительный блок определяет эффективные запасы ресурсов передачи данных посредством, по меньшей мере, одного или нескольких корректирующих коэффициентов на основе сохраненных запасов ресурсов передачи данных и в соотнесении с соответствующими физическими длинами и толщинами жил кабеля сетевого соединения сохраняет на носителе данных вычислительного блока, причем корректирующий коэффициент включает в себя среднее отклонение сохраненных запасов ресурсов передачи данных от эффективных запасов ресурсов передачи данных и/или коэффициент блока коррекции для коррекции настройки блока коррекции, и вычислительный блок на основе сохраненных эффективных запасов ресурсов передачи данных с использованием известной физической длины определяемого сетевого соединения между передатчиком и приемником определяет запас ресурсов передачи данных для соответствующего сетевого соединения. Преимущество изобретения, в том числе, заключается в том, что способ и система впервые обеспечивают простое и быстрое определение запасов ресурсов передачи данных, не требуя больших технических, трудовых и временных затрат. В особенности, можно скорректировать неопределенности за счет упомянутой коррекции, не требуя, как в известных системах дистанционного измерения для измерения запасов ресурсов передачи данных и/или скоростей передачи в битах, корректировки в каждой локальной распределительной станции различной, точно не известной неопределенности или неизвестной ошибки, которую за счет односторонних измерений трудно оценить, так как для определения ошибки были бы необходимы двусторонние измерения. Как описано выше, затраты остаются небольшими по сравнению с известным уровнем техники. Это справедливо в отношении как проведения измерений, так и установки необходимых устройств.
В одном варианте выполнения энергетический спектр измеряется в зависимости от частоты передачи для типов модемов ADSL, и/или SDSL, и/или HDSL, и/или VDSL. Возможные типы модемов SDSL могут при этом включать в себя, по меньшей мере, тип модема G.991.2, и/или типы модемов ADSL - по меньшей мере, тип модема G.992.2. Посредством модуля гауссова преобразования могут определяться запасы ресурсов передачи данных, по меньшей мере, для модуляций передачи данных вида 2B1Q (2 двоичная, 1 четверичная), и/или CAP (амплитудная/фазовая модуляция без несущей), и/или DMT (цифровая мультитональная), и/или PAM (импульсная амплитудная модуляция). Также посредством модуля гауссова преобразования могут определяться запасы ресурсов передачи данных, по меньшей мере, для кодирования с использованием модуляции решетчатым кодом. Этот вариант выполнения имеет, в числе прочего, преимущество, состоящее в том, что для типов модемов xDSL, при упомянутых модуляциях передачи данных и кодировании с использованием модуляции решетчатым кодом используются обычные стандартные технологии, которые легко доступны на рынке, и применение которых широко распространено как в Европе, так и в США.
В другом варианте выполнения коэффициент коррекции воспроизводит нелинейную зависимость относительно физических длин и/или толщин жил кабеля, то есть коэффициент коррекции может представляться нелинейной функцией, например, функцией полинома степени выше, чем 1. Этот вариант выполнения имеет, в числе прочего, преимущество, состоящее в том, что тем самым учитываются и могут корректироваться намного более сложные зависимости, чем в случае линейных коэффициентов коррекции.
Еще один вариант выполнения включает в себя компьютерный программный продукт, который может быть загружен непосредственно во внутреннюю память цифрового компьютера и включает в себя части кода программного обеспечения, с помощью которого выполняются этапы согласно вышеописанным вариантам выполнения, когда данный продукт исполняется на компьютере. Этот вариант выполнения имеет преимущество, заключающееся в том, что он обеспечивает техническую реализацию изобретения, которая допускает простое обращение и использование без больших аппаратных затрат.
В частности, для определения скоростей передачи в битах для сетевых соединений, причем физическая длина сетевого соединения между передатчиком и приемником известна, энергетический спектр измеряется в зависимости от частоты передачи для возможных типов модемов с помощью устройства измерения мощности и передается на носитель данных вычислительного блока, с помощью вычислительного блока определяется ослабление для различных физических длин и толщин жил кабеля сетевого соединения, и эффективные уровни сигнала в приемнике, основанные на ослаблении, а также энергетическом спектре, соотнесенные с соответствующими физическими длинами и толщинами жил кабеля, сохраняются в первом списке на носителе данных вычислительного блока, а во втором списке на носителе данных вычислительного блока сохраняется уровень шума, соотнесенный с соответствующими физическими длинами и толщинами жил кабеля сетевого соединения, при этом уровень шума определяется посредством вычислительного блока в зависимости, по меньшей мере, от параметров перекрестной помехи и числа источников помех на основе энергетического спектра, вычислительный блок посредством модуля гауссова преобразования на основе эффективных уровней сигнала из первого списка и соответствующих уровней шума из второго списка для различных модуляций передачи данных и/или модулирующих кодов определяет скорость передачи битов для предварительно определенного запаса ресурсов передачи данных и сохраняет скорости передачи битов, соотнесенные с соответствующими физическими длинами и толщинами жил кабеля сетевого соединения, на носителе данных вычислительного блока, вычислительный блок определяет эффективные скорости передачи битов посредством одного или нескольких корректирующих коэффициентов на основе сохраненных скоростей передачи битов и сохраняет эффективные скорости передачи битов, соотнесенные с соответствующими физическими длинами и толщинами жил кабеля сетевого соединения, на носителе данных вычислительного блока, причем корректирующий коэффициент включает в себя среднее отклонение сохраненных скоростей передачи битов от эффективных скоростей передачи битов и/или коэффициент блока коррекции для коррекции настройки блока коррекции, и вычислительный блок на основе сохраненных эффективных скоростей передачи битов с использованием известной физической длины определяемого сетевого соединения между передатчиком и приемником определяет скорость передачи битов для соответствующего сетевого соединения. Преимущество этого варианта выполнения, в том числе, заключается в том, что способ и система впервые обеспечивают простое и быстрое определение скорости передачи битов, не требуя больших технических, трудовых и временных затрат. В особенности, можно скорректировать неопределенности за счет упомянутой коррекции, не требуя, как в известных системах дистанционного измерения для измерения запасов ресурсов передачи данных и/или скоростей передачи битов, корректировки в каждой локальной распределительной станции различной, точно не известной неопределенности или неизвестных ошибок, которые за счет односторонних измерений трудно оценить, так как для определения ошибки были бы необходимы двусторонние измерения.
В одном варианте выполнения энергетический спектр измеряется в зависимости от частоты передачи для типов модемов ADSL, и/или SDSL, и/или HDSL, и/или VDSL. При этом возможные типы модемов SDSL могут включать в себя, по меньшей мере, тип модема G.991.2, и/или типы модемов ADSL - по меньшей мере, тип модема G.992.2. Посредством модуля гауссова преобразования могут определяться запасы ресурсов передачи данных, по меньшей мере, для модуляций передачи данных вида 2B1Q, и/или CAP, и/или DMT, и/или PAM. Также посредством модуля гауссова преобразования могут определяться запасы ресурсов передачи данных, по меньшей мере, для кодирования с использованием модуляции решетчатым кодом. Этот вариант выполнения имеет, в числе прочего, преимущество, состоящее в том, что для типов модемов xDSL, при упомянутых модуляциях передачи данных и кодировании с использованием модуляции решетчатым кодом используются обычные стандартные технологии, которые легко доступны на рынке, и применение которых широко распространено как в Европе, так и в США.
В другом варианте выполнения коэффициент коррекции включает в себя нелинейную зависимость относительно физических длин и/или толщин жил кабеля, то есть коэффициент коррекции может представляться нелинейной функцией, например, функцией полинома степени выше, чем 1. Этот вариант выполнения имеет, в числе прочего, преимущество, состоящее в том, что тем самым учитываются и могут корректироваться намного более сложные зависимости, чем с использованием линейных коэффициентов коррекции.
Еще в одном варианте выполнения посредством модуля гауссова преобразования определяют скорости передачи битов для запасов ресурсов передачи данных между 3 и 9 дБ. Этот вариант выполнения, в числе прочего, имеет преимущество, состоящее в том, что диапазон между 3 и 9 дБ обеспечивает прием с параметром QoS, удовлетворяющим большинству требований. В частности, указанный диапазон запасов ресурсов передачи данных между 3 и 9 дБ обеспечивает оптимизацию скорости передачи битов по отношению к другим параметрам QoS.
Еще в одном варианте выполнения посредством модуля гауссова преобразования определяют скорости передачи битов для запаса ресурсов передачи данных 6 дБ. Этот вариант выполнения, в числе прочего, имеет те же преимущества, что и в предыдущем описанном варианте выполнения. В частности, указанный запас ресурсов передачи данных 6 дБ обеспечивает оптимизацию скорости передачи битов по отношению к другим параметрам QoS.
Еще один вариант выполнения включает в себя компьютерный программный продукт, который может быть загружен непосредственно во внутреннюю память цифрового компьютера и включает в себя части кода программного обеспечения, с помощью которого выполняются этапы согласно вышеописанным вариантам выполнения, когда данный продукт исполняется на компьютере. Этот вариант выполнения имеет преимущество, заключающееся в том, что он обеспечивает техническую реализацию изобретения, которая допускает простое обращение и использование без больших аппаратных затрат.
Кроме того, следует отметить, что заявленное изобретение, наряду со способом, соответствующим изобретению, также относится к системе и компьютерному программному продукту для осуществления этого способа.
Ниже на примерах описаны варианты выполнения заявленного изобретения. Примеры выполнения проиллюстрированы чертежами, на которых представлено следующее:
Фиг.1 - блок-схема, показывающая архитектуру варианта выполнения соответствующей изобретению системы для определения запасов ресурсов передачи данных или скоростей передачи битов для сетевого соединения 12 с определенной физической длиной 13 между передатчиком 10 и приемником 11.
Фиг.2 - схематичное представление перекрестной помехи с перекрестной помехой ближнего конца (NEXT) 51, которая относится к непреднамеренному вводу сигналов 50 передатчика 10 на одном конце в сигналы 50 в приемнике 11 на том же конце, и перекрестной помехой дальнего конца (FEXT) 52, которая относится к непреднамеренному вводу сигналов 50 при передаче к приемнику 11 на другом конце, причем сигналы 50 при передаче вводятся в сигналы 50 соседних медных пар и в приемнике 11 проявляются как шумы.
Фиг.3 - схематичное представление участка передачи сетевого соединения в зависимости от скорости передачи (скорости передачи битов) для модемов ADSL, как она может быть получена с помощью соответствующей изобретению системы. Ссылочные позиции 60 и 61 обозначают различные условия шумов.
Фиг.4 - схематичное представление так называемой «последней мили» телефонной сети общего пользования (PSTN), существующей в типовом случае между конечным пользователем дома с сетью, которая должна быть доступной через телефонную сеть общего пользования.
На фиг.1 представлена архитектура, которая может быть использована для осуществления изобретения. В этом примере выполнения для способа и системы для определения запасов ресурсов передачи данных и/или скоростей передачи битов для сетевых соединений физическая длина 13 определяемого сетевого соединения 12 между передатчиком 10 и приемником 11 известна. Под физической длиной понимается эффективная длина кабеля, а не, например, расстояние по воздуху между передатчиком 10 и приемником 11. Сетевое соединение 12 может состоять из аналоговой среды передачи, например, кабеля с медными проводниками. В этом примере выполнения, например, применялись медные кабели с диаметром жил 0,4 или 0,6 мм, как они типичным образом используются для последней мили телефонной сети общего пользования (PSTN). Последняя миля схематично представлена на фиг.4. Ссылочная позиция 70 обозначает маршрутизатор к сети, которая связана, например, через 10BT Ethernet 77 и телефонную сеть общего пользования (PSTN) 72 c сервером 71 модемного терминала. Сервер 71 модемного терминала может представлять собой мультиплексор доступа DSL (DSLAM). Как упомянуто, ссылочная позиция 72 обозначает телефонную сеть общего пользования (PSTN), к которой сервер 71 модемного терминала подключен, например, стекловолоконным кабелем 78. Кроме того, телефонная сеть 79 общего пользования и, соответственно, сервер 71 модемного терминала в типовом случае через кабель 79 с медными жилами через телефонную коробку 73 соединены с модемом 74 персонального компьютера (ПК) 75. Ссылочная позиция 79 при этом относится к упомянутой так называемой «последней миле» от распределительной станции провайдера телефонной сети до конечного пользователя. Конечный пользователь 76 тем самым может с помощью своего ПК получать непосредственный доступ к маршрутизатору 70 посредством описанного соединения. Наиболее употребительные телефонные провода могут состоять, например, из пары медных проводов 2-2400. Но могут применяться и другие среды передачи, в особенности медный кабель, например, с другими диаметрами жил. Необходимо указать на то, что сетевые соединения 12 могут не только проявлять соответственно различные диаметры или толщины 114, 142, 143, 144, но и что отдельное сетевое соединение может состоять из комбинации кабелей с различными диаметрами или толщинами жил, то есть что сетевое соединение включает в себя несколько отдельных кабелей с различными толщинами жил.
Энергетический спектр PSDModem(f) измеряется в зависимости от частоты f передачи для возможных типов модемов 101, 102, 103, 104 посредством устройства 20 измерения мощности и передается на носитель данных вычислительного блока 30. Энергетический спектр также обозначается понятием «спектральная плотность мощности» (PSD) и воспроизводит для определенной ширины полосы непрерывный спектр частот, то есть полную мощность определенной ширины полосы частот, деленную на определенную ширину полосы. Деление на ширину полосы соответствует нормированию. Таким образом, спектральная плотность мощности PSD является функцией, зависящей от частоты f, и обычно приводится в ваттах на герц. Для измерения мощности посредством устройства 20 измерения мощности в приемнике 11 может применяться простой аналого-цифровой преобразователь, причем напряжение прикладывается к сопротивлению. Для модуляции цифровых сигналов в линии 12, например, от конечного пользователя к распределительной станции провайдера телефонной сети и обратно могут применяться различные типы модуляции. В уровне техники, например, известны технологии xDSL (цифровая абонентская линия), двумя основными представителями которой являются ADSL (асимметричная цифровая абонентская линия) и SDSL (симметричная цифровая абонентская линия). Другими представителями технологии xDSL являются HDSL (высокоскоростная цифровая абонентская линия) или VDSL (сверхвысокоскоростная цифровая абонентская линия). Технологии xDSL являются высокоразвитыми схемами модуляции, применяемыми для того, чтобы модулировать данные, передаваемые в линии передачи на медных проводах или в других аналоговых средах передачи. Технологии xDSL иногда обозначают как «технологии последней мили», в частности, из-за того, что они обычно служат для соединения последней распределительной станции телефонной сети с конечным пользователем в бюро или дома и не применяются для соединений между отдельными распределительными станциями телефонной сети. Технология xDSL подобна сети ISDN (Цифровая сеть с комплексными услугами) в том отношении, что она может работать на существующих линиях передачи на медных проводах, и обе они требуют относительно короткого расстояния до следующей распределительной станции провайдера телефонной сети. Технологии xDSL обеспечивает, однако, более высокие скорости передачи данных, чем ISDN. xDSL достигает скоростей передачи данных до 32 Мбит/с для скорости нисходящего потока (скорости передачи при приеме данных, то есть при модуляции) и скоростей от 32 кбит/с до 6 Мбит/с для скорости восходящего потока (скорость передачи при передаче данных, то есть при демодуляции), в то время как ISDN поддерживает скорости передачи данных на канал порядка 64 кбит/с. ADSL в последнее время становится очень популярной технологией для модуляции данных в линии передачи на медных проводах. ADSL поддерживает скорости передачи данных от 0 до 9 Мбит/с для скоростей в нисходящем направлении потока и от 0 до 800 кбит/с для скоростей в восходящем направлении потока. ADSL называется асимметричной DSL, так как она поддерживает различные скорости передачи в восходящем и нисходящем направлениях потока. SDSL или симметричная DSL называется, в противоположность этому, симметричной потому, что она поддерживает одинаковые скорости для восходящего и нисходящего потоков данных. SDSL обеспечивает возможность передачи данных со скоростями вплоть до 2,3 Мбит/с. ADSL передает цифровые импульсы в высокочастотном диапазоне медного кабеля. Так как эти высокие частоты при нормальной передаче тональных сигналов в слышимом диапазоне (например, голоса) не используются, то ADSL может одновременно действовать для передачи телефонных разговоров по тому же медному кабелю. Технология ADSL наиболее широко распространена в Северной Америке, в то время как технология SDSL прежде всего развивалась в Европе. ADSL и SDSL требуют специально оснащенных для этого модемов. HDSL является представителем для симметричной DSL (SDSL). Стандартом для симметричных HDSL (SDSL) в настоящее время является G.SHDSL, известный как G.991.2, разработанный в качестве международного стандарта Комитетом CCITT Международного союза по телекоммуникациям (ITU). G.991.2 поддерживает прием и передачу симметричного потока данных по простой паре медных проводов со скоростями передачи от 192 кбит/с до 2,31 Мбит/с. Стандарт G.991.2 был разработан таким образом, что он включает в себя свойства ADSL и SDSL и поддерживает стандартные протоколы, такие как IP (Интернет-протокол), в частности современные версии IPv4 и IPv6 или IPng (Рабочей группы по разработкам сети Интернет - IETF), а также TCP/IP (протокол управления передачей), ATM (асинхронный режим передачи), T1, E1 и ISDN. В качестве последней из технологий xDSL здесь упоминается технология VDSL (сверхвысокоскоростная цифровая абонентская линия). VDSL передает данные в диапазоне 13-55 Мбит/с на короткие расстояния (обычно в пределах 300-1500 м) по медному кабелю на скрученной паре. Для VDSL справедливо соотношение, заключающееся в том, что чем короче расстояние, тем выше скорость передачи. В качестве завершающего участка сети VDSL соединяет бюро или дом пользователя с соседними оптическими сетевыми блоками, называемыми как оптический сетевой блок (ONU), который в типовом случае связан с основной стекловолоконной сетью (магистралью), например, фирмы. VDSL обеспечивает пользователю доступ к сети с максимальной шириной полосы по нормальным телефонным проводам. Стандарт VDSL еще не определен полностью. Так имеются VDSL-технологии, которые имеют схему кодирования линии на основе DMT (дискретного мультитонального сигнала), причем DMT представляет собой систему с множеством несущих, что очень сходно с технологией ADSL. Другие технологии VDSL имеют схему кодирования линии, основанную на квадратурной амплитудной модуляции (QAM), которая в противоположность DMT является более экономичной и требует меньше энергии. Для данного примера выполнения типы модемов могут включать в себя типы модемов (101, 102, 103, 104) ADSL, и/или SDSL, и/или HDSL, и/или VDSL. В частности, возможные типы SDSL-модемов (101, 102, 103, 104) могут включать в себя, по меньшей мере, один тип модема G.991.2, и/или типы ADSL-модемов (101, 102, 103, 104) могут включать в себя, по меньшей мере, один тип модема G.992.2. Однако понятно, что этот перечень никоим образом не должен считаться ограничивающим объем охраны изобретения, и напротив, возможны и другие типы модемов.
С помощью вычислительного блока 30 определяется ослабление Н для различных физических длин 13 и толщин жил кабелей 141, 142, 143, 144, как, например, 0,4 мм и 0,6 мм сетевого соединения 12, и эффективные уровни сигналов S(f) в приемнике 11, основанные на ослаблении Н(f) и энергетическом спектре PSD(f), соотнесенные с соответствующими физическими длинами L13 и толщинами жил кабелей D 141, 142, 143, 144, сохраняются в первом списке на носителе данных вычислительного блока 30. Ослабление H(f,L,D), как и эффективный уровень сигнала S(f), является функцией, зависящей от частоты f. Посланный от передатчика 10 сигнал соответствует PSDModem(f), в то время как в приемнике принимается эффективный уровень сигнала S(f)=PSD (f)Н2(f, L, D). Во втором списке на носителе данных вычислительного блока 30 сохраняется уровень шума N(f) 40, соотнесенный с соответствующими физическими длинами 13 и толщинами жил кабеля 141, 142, 143, 144 сетевого соединения 12, причем уровень шума N(f) 40 определяется вычислительным блоком 30 в зависимости от, по меньшей мере, параметра перекрестной помехи Xtalktype и числа А источников помех на основе энергетического спектра PSD. То есть:
где N(f) - уровень шума, f - частота, i - индекс, Xtalktype - параметр перекрестной помехи, PSDSmodem(i) (f) - энергетический спектр помеховой модуляции i-го S-модема, Нхр (f, L, Xtalktype, Аi) - ослабление в зависимости от перекрестной помехи, L - физическая длина кабеля, Ai - число.
Сумма берется по индексу i по всем помеховым модуляциям (SModem) в зависимости от их параметра перекрестной помехи Xtalktypes, которые действуют на параллельных соединениях данного сетевого соединения. Как упомянуто, проблематика перекрестной помехи связана с физическим явлением, которое возникает при модуляции данных, передаваемых по медному кабелю. Соседние медные кабельные жилы внутри медного кабеля получают за счет электромагнитного взаимодействия парных составляющих сигналов, которые вырабатываются модемами. Это приводит к тому, что xDSL-модемы, которые осуществляют передачу по соседним проводам, создают взаимные помехи. Перекрестная помеха как физическое действие пренебрежимо мала для ISDN (диапазон частот до 120 к Гц), но является существенной, например, для ASDL (диапазон частот до 1 М Гц) и является решающим фактором для VDSL (диапазон частот до 12 М Гц). Как описано, применяемые телефонные линии состоят из медных жил числом от 2 до 2400. Чтобы, например, иметь возможность использовать четыре пары, поток данных в передатчике подразделяется на множество параллельных потоков данных, а в приемнике вновь восстанавливается, что повышает эффективную пропускную способность в 4 раза. Это позволило бы осуществлять передачу данных со скоростями до 100 Мбит/с. Дополнительно в случае 4 пар медных проводов одинаковые провода четырех пар используются для того, чтобы одинаковые объемы данных одновременно передавать в противоположном направлении. Двусторонняя передача данных по каждому медному проводу пары удваивает информационную емкость, которая может передаваться. В этом случае скорость передачи данных возрастает в восемь раз по сравнению с обычными передачами, при которых две пары используются соответственно только для одного направления. Для передачи данных, как описано выше, шумы перекрестной помехи являются сильно ограничивающим фактором. В качестве типов перекрестной помехи (Xtalktype) различают перекрестную помеху ближнего конца (NEXT) 51, которая относится к непреднамеренному вводу сигналов 50 передатчика 10 на одном конце в сигналы 50 в приемнике 10 на том же конце, и перекрестную помеху дальнего конца (FEXT) 52, которая относится к непреднамеренному вводу сигналов 50 при передаче в приемник 11 на другом конце, причем сигналы 50 при передаче вводятся в сигналы 50 соседних медных пар и в приемнике 11 проявляются как шумы (см. фиг.1). Обычно исходят из того, что помеха NEXT 51 имеет только источник помех ближнего конца. Параметр Xtalktype, таким образом, зависит от места и потока (восходящий/нисходящий), то есть эта зависимость может быть записана как Xtalktype(поток, место). Если имеется более двух медных жил, как это обычно имеет место (в типовом случае имеется от 2 до 2400 жил), то вышеописанная попарная связь больше не действует. Например, для случая, когда используются одновременно проводники четырех пар, тогда, следовательно, имеется три непреднамеренных источника помех, которые своей энергией действуют на сигнал 50. Для А в этом случае справедливо соотношение А=3. То же самое справедливо для перекрестной помехи типа FEXT 52.
Вычислительный блок 30 определяет запасы ресурсов передачи данных посредством модуля 31 гауссова преобразования на основе эффективных уровней сигнала S(f) из первого списка и соответствующих уровней шумов N(f) из второго списка для различных модуляций передачи данных и/или модулирующих кодов для предварительно определенной скорости передачи битов и сохраняет запасы ресурсов передачи данных, соотнесенные с соответствующими физическими длинами 13 и толщинами жил кабеля 141, 142, 143, 144 сетевого соединения 12, на носителе данных в вычислительном блоке 30. На основе эффективных уровней сигнала S(f) из первого списка и соответствующих уровней шумов N(f) из второго списка можно с помощью вычислительного блока 30 определить отношение сигнала S к шуму N (SNR) в следующем виде:
где SNR - отношение сигнал/шум, Т - интервал символа, S(f) - уровень сигнала, N(f) - уровень шума, n - индекс суммирования.
Это выражение справедливо только для модуляций вида CAP, 2B1Q и РАМ, однако не применимо для модуляции вида DMT. Модуляция вида DMT ниже описана более подробно. Т может обозначать половину инверсной величины частоты Найквиста. Частота Найквиста является максимальной частотой, с которой еще может быть точно взята выборка. Частота Найквиста есть половинное значение частоты дискретизации, так как непреднамеренные частоты генерируются, когда дискретизируется сигнал, частота которого выше, чем половинное значение частоты дискретизации. Индекс суммирования n принимает значения от -1 до +1, что обычно достаточно на практике. Если этого не достаточно, то можно использовать дополнительные максимумы 0, ±1/Т, ± 2/Т и т.д. до тех пор, пока не будет достигнута требуемая точность. Запасы ресурсов передачи данных зависят от модуляций передачи данных и/или модулирующих кодов, как отмечено выше. В данном примере выполнения показана зависимость для модуляции 2B1Q, используемой для HDSL-модемов, и модуляция CAP в качестве примера для ADSL-модуляции вида DMT, а также для модулирующих кодов с использованием сигналов решетчатого кодирования. Однако понятно, что соответствующие изобретению способ и система также могут применяться для других модуляций передачи данных и/или модулирующих кодов, таких как РАМ (импульсная амплитудная модуляция) и т.д. Как модуляция вида 2B1Q, так и модуляция вида CAP применяются для HDSL-модемов и характеризуются предварительно определенной скоростью передачи битов. Модуляция вида DMT используется для ADSL-модемов и имеет в противоположность этому переменную скорость передачи битов. Виды модуляции CAP и DMT используют одинаковую основополагающую технологию модуляции: квадратурную амплитудную модуляцию (QAM), хотя эта технология используется различным образом. QAM обеспечивает возможность того, что два цифровых сигнала несущей имеют одинаковую ширину полосы передачи. При этом применяются два независимых, так называемых сигнала сообщения, чтобы модулировать два несущих сигнала, которые имеют одинаковую несущую частоту, но различаются по амплитуде и по фазе. Приемники сигналов QAM могут различить, требуется ли низкое или высокое число амплитудных и фазовых состояний, чтобы преодолеть влияние шумов и взаимных помех, например, в одной паре медных жил. Модуляция вида 2B1Q также известна как 4-уровневая амплитудная модуляция (РАМ). Она использует два уровня напряжения для импульсов сигналов, а не один уровень, как, например, в случае модуляции вида AMI (кодирование с чередованием полярности элементов). Поскольку для этого применяются положительные и отрицательные различия в уровнях, получают 4-уровневый сигнал. Биты затем оцениваются попарно, какая пара соответствует определенному уровню напряжения (отсюда название 2-битовая модуляция). За счет этого можно наполовину уменьшить необходимую частоту передачи для осуществления передач с той же скоростью передачи битов, что и в случае биполярной модуляции вида AMI. Для HDSL-модема, использующего модуляцию вида 2B1Q или CAP, существует следующая зависимость запаса ресурсов передачи данных от SNR:
Mc=SNR/ξ,
где Мс - запас ресурсов передачи, ξ - параметр, определяемый в зависимости от частоты ошибок (частоты ошибок символов) εs. Для локальных сетей (LAN) протокола Интернет (IP) обычно достаточна частота ошибок εs=10-7, то есть каждый 107 бит в среднем передается с искажением. Фирмы требуют в типовом случае для своих фирменных сетей εs=10-12. Если значение εs становится порядка величины передаваемого пакета данных (например, 10-3), то это, напротив, означало бы, что каждый пакет в среднем должен передаваться дважды, пока он не будет принят правильно. Для модуляции вида 2B1Q для параметра εs справедливо, например, следующее:
для некодированных сигналов
для сигналов решетчатого кодирования,
в то время как для модуляции вида CAP справедливы следующие соотношения:
для некодированных сигналов
для сигналов решетчатого кодирования,
где εs - частота ошибок, М - моментное число/величина группирования, Gc - комплементарная гауссова функция.
Параметр Gc для обоих видов кодирования представляет собой комплементарную гауссову функцию вида
М обозначает для модуляции вида 2B1Q моментное число, причем М=4 для 2B1Q, в то время как для модуляции вида CAP параметр группирования равен М×М. Т обозначает, как указано выше, интервал символа или половину инверсной величины частоты Найквиста. Для ADSL-модемов с использованием модуляции вида DMT зависимость иная. Как отмечено выше, ADSL имеет переменную скорость передачи битов. Это проявляется также и в определении параметра Мс.В этом случае справедливо следующее соотношение:
где ξ(f) - отношение сигнала к шуму S(f)/N(f), xref - эталонный запас ресурсов, который в этом примере выполнения в типовом случае был выбран равным 6 дБ, то есть xref=100,6, хотя могут быть выбраны и другие значения в качестве эталонных запасов ресурсов; Δf - вся полоса частот или полоса частот, которая используется для передачи; D - скорость передачи битов, например, в битах в секунду (бит/с); Г - корректирующий коэффициент. В этом примере выполнения Г имеет значение, например, равное 9,55. Интегрирование в этом примере выполняется по частоте f. Аналогично этому, оно может, однако, проводиться и по времени или другой физической величине, причем приведенное выше выражение должно быть соответственно согласовано.
В общем случае полученные выше запасы ресурсов передачи данных не совпадают с экспериментом. Поэтому вычислительный блок 30 определяет эффективные запасы ресурсов передачи данных посредством, по меньшей мере, одного корректирующего коэффициента на основе сохраненных запасов ресурсов передачи данных. Корректирующий коэффициент был выбран для этого примера выполнения таким образом, что достигается достаточная согласованность между полученными запасами ресурсов передачи данных и эффективными запасами ресурсов передачи данных. В качестве достаточной величины в данном случае было принято, например, +/- 3 дБ, причем могут быть использованы и другие значения. Чтобы получить это максимальное отклонение +/- 3 дБ, определяются два параметра. Мimp учитывает хорошую или некачественную реализацию модема изготовителем. Параметр Mimp был введен на основе того факта, что одинаковые модемы со сравнимыми аппаратными средствами и одинаковыми модуляциями передачи данных и/или модулирующими кодами, однако выпущенные разными изготовителями, при преобразовании аналогового сигнала в цифровой сигнал и обратно давали разные результаты, что оказывало влияние на их максимальную скорость передачи данных или на их максимальную дальность действия для определенного сетевого соединения. Это должно быть скорректировано по отношению к запасу ресурсов передачи данных. В качестве второго параметра был введен параметр Nint. Параметр Nint учитывает шумы квантования в модеме (аналого-цифрового преобразования), а также возможную плохую настройку блока коррекции при передаче. Если происходит передача между передатчиком 10 и приемником 11, то блок коррекции в модеме согласует скорость передачи данных с условиями сетевого соединения, например, ослаблением в линии, искажением фазы и т.д. посредством тестовой последовательности, которая посылается между обоими ведущими информационный обмен модемами в обоих направлениях. Плохое согласование, обусловленное блоком коррекции, приводит к искажению результатов и должно корректироваться. Для линейного блока коррекции может применяться, например, следующее выражение:
где
где SNRLinearEq - отношение сигнал/шум, Se - сигнал, принимаемый блоком коррекции, Ne - шумы, f - частота, Т - интервал символа.
Для блока коррекции с адаптивной решающей обратной связью (DFE) может применяться, например, следующее выражение:
где SNRDFE - отношение сигнал/шум, Se - сигнал, принимаемый блоком коррекции, Ne - шумы, f - частота, Т - интервал символа. Вычислительный блок 30 для определения SNRDFE может использовать, например, следующее приближение:
где SNRDFE - отношение сигнал/шум, Se - сигнал, принимаемый блоком коррекции, Ne - шумы, f - частота, Т - интервал символа.
Тем самым, для эффективных запасов ресурсов передачи данных получаем: S(f)=PSDModem(f)H2(f,L,D), как и раньше. Шумы корректируются следующим образом:
где N(f) - шумы, PSDSmodem(i) (f) - энергетический спектр помеховой модуляции i-го S-модема, Нхр2 (f,L,D,xtalktypei, ni) - ослабление в зависимости от перекрестной помехи. Nint - коррекция.
Коррекция может быть реализована в вычислительном блоке 30 аппаратными средствами или программным обеспечением в одном модуле. Необходимо отметить то, что с помощью такого модуля на основе коррекции Nint вводится переменный шум-фактор, который, например, может учитывать настройку блока коррекции и т.д. Данное решение не известно из уровня техники и принадлежит, в числе прочего, к существенным достоинствам изобретения.
Эффективные запасы ресурсов передачи данных Meff учитываются посредством соотношения Meff=Mc-Mimp, что учитывается дополнительно к Nint, как упомянуто выше. Корректные значения для Мс и Nint могут быть получены посредством вычислительного блока 30 в сравнении с экспериментальными данными. В типовом случае вычислительный блок 30 должен тогда иметь доступ к данным различных экспериментов, чтобы иметь возможность корректно определить параметры в пределах желательных отклонений. Посредством корректирующих коэффициентов, которые, следовательно, включают в себя среднее отклонение сохраненных запасов ресурсов передачи данных по отношению к эффективным запасам ресурсов передачи данных, определяются, как описано выше, эффективные запасы ресурсов передачи данных и также в сопоставлении с соответствующими физическими длинами L 13 и толщинами D жил кабелей 141, 142, 143, 144 сетевого соединения 12 сохраняются на носителе данных вычислительного блока 30. Следует отметить, что корректирующие коэффициенты не обязательно являются линейными коэффициентами, то есть должны быть постоянными, но с тем же успехом могут включать в себя корректирующие функции с нелинейной зависимостью. Тем самым могут, в зависимости от применения, учитываться и более сложные отклонения экспериментальных данных. Посредством сохраненных массивов данных с запасами ресурсов передачи данных вычислительный блок 30 определяет на основе сохраненных эффективных запасов ресурсов передачи данных с помощью известной физической длины 13 сетевого соединения 12 между передатчиком 10 и приемником 11 запас ресурсов передачи данных для определенного сетевого соединения 12. Запасы ресурсов передачи данных указываются, как неоднократно упоминалось выше, в децибелах. Для значений >0 модем функционирует типовым образом, в то время как для значений <0 он не работает. Чтобы гарантировать качественное надежное функционирование, может быть целесообразным, в качестве нижней границы выбрать, например, 6 дБ. Однако в общем случае пригодны для использования и другие значения запасов ресурсов передачи данных для нижней границы, например, значения в пределах от 3 дБ до 9 дБ. За счет аналогичной конфигурации для ADSL-модемов также можно, как следует из приведенных выше данных, вместо массивов данных с запасами ресурсов передачи данных соответственно определить массивы данных со скоростями передачи битов для различных сетевых соединений, например, для запасов ресурсов передачи данных 6 дБ. Тем самым для определения массивов данных со скоростями передачи битов 6 дБ=Meff. Для HDSL-модемов это не имеет смысла в данном отношении, так как в случае HDSL используются кодирования, например, вида 2B1Q или CAP с постоянной скоростью передачи данных, в данном случае 2,048 Мбит/с. Причина такого различия по отношению к ADSL-модемам лежит в том, что HDSL-системы проектировались только для подключения с более высокой скоростью передачи битов, и для них представляет интерес только надежность передачи (отношение SNR).
На фиг.3 представлен участок передачи сетевого соединения в зависимости от скорости передачи битов для ADSL-модемов. Ссылочными позициями 60 и 61 обозначены различные условия шумов. Скорости передачи битов, как описано выше, представлены на основе сохраненных массивов данных или списков.
Изобретение относится к системам определения запасов ресурсов передачи данных. Техническим результатом является создание способа определения запасов ресурсов передачи данных для конкретного соединения. Технический результат достигается тем, что для определения запасов ресурсов передачи данных и/или скоростей передачи битов для сетевых соединений, с известной физической длиной кабеля, осуществляют измерение энергетического спектра в зависимости от частоты передачи для возможных типов модемов с помощью устройства измерения мощности, определяется ослабление для различных физических длин и толщин жил кабеля, в зависимости от параметра перекрестной помехи, числа источников и корректирующего коэффициента на основе энергетического спектра определяется уровень шума, причем посредством модуля гауссова преобразования на основе эффективных уровней сигнала и соответствующих уровней шума определяются запасы ресурсов передачи данных для различных модуляций передачи данных и/или модулирующих кодов для предварительно определенной скорости передачи битов, далее запасы ресурсов передачи данных корректируются посредством корректирующего коэффициента, включающего в себя среднее отклонение сохраненных запасов ресурсов передачи данных от эффективных запасов ресурсов передачи данных, и на основе сохраненных эффективных запасов ресурсов передачи данных с использованием известной физической длины определяемого сетевого соединения определяется запас ресурсов передачи данных для соответствующего сетевого соединения. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 4 ил.
| УСТРОЙСТВО, СПОСОБ И ПРОГРАММНЫЙ МОДЕМ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ИСКАЖЕНИЯ, ОБУСЛОВЛЕННОГО ГРУППОВОЙ ЗАДЕРЖКОЙ, ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ПЕРЕДАЧИ СИМВОЛОВ И ЧАСТОТЫ НЕСУЩЕЙ ДЛЯ ПЕРЕСЫЛКИ ДАННЫХ | 1997 |
|
RU2155454C2 |
