Збільшення пропускної спроможності ділянки телекомунікаційної мережі за рахунок просторово-енергетичного мультиплексування

Постановка проблеми. Концепція розвитку телекомунікацій в Україні (від 07.06.2006 р., № 316-р) визначає проблеми, в числі яких низький рівень забезпечення населення, підприємств, установ і організацій широкосмуговими телекомунікаційними послугами. Тому серед основних напрямів розвитку телекомунікаційних мереж слід вважати розвиток широкосмугового абонентського доступу (ШСД) з використанням перспективних технологічних рішень.

Аналіз останніх досліджень та публікацій. Більшість нових технологій залежать від доступності ресурсів телекомунікаційної мережі та всіх пов’язаних з нею сервісів, надійності та стабільності підключення до неї на дедалі зростаючих швидкостях. В термінах ШСД до показників якості телекомунікаційних послуг можна віднести пропускну спроможність мережі та потенціал її зростання (фактично — стратегічну можливість постійної модернізації) [1].

Граничне значення пропускної спроможності безперервного тимчасового аналогового каналу зв’язку, спотвореного гаусівським шумом, відповідно до теореми Шеннона-Хартлі, складає.

(1).

де F — ширина смуги частот каналу; PS/PN — співвідношення потужностей корисного сигналу PS і завади PN над смугою пропускання.

Виходячи з цього, пропонуються способи збільшення пропускної спроможності каналу передачі даних на ділянці телекомунікаційній мережі (лінії зв’язку): пряме (безпосереднє) розширення смуги пропускання F; збільшення співвідношення сигнал/завада PS/PN [2].

Способом збільшення пропускної спроможності ділянки телекомунікаційної мережі є об'єднання в єдину гібридну систему транспортних ділянок, зокрема:

• — об'єднання кабельних коаксіальних ліній для доступу до телебачення і волоконно-оптичних — для доступу до мережі Інтернет [3] (згідно із [1], фіксований ШСД);
• — об'єднання безкабельних радіо і оптичних каналів [4] (мобільний ШСД [1]).

Метою статті є збільшення пропускної спроможності ділянки телекомунікаційної мережі шляхом об'єднання каналів і транспортних ділянок мереж.

Основні результати. Телекомунікаційна мережа використовує лінії зв’язку з розділенням каналів по частоті (Frequency Division Multiplexing, FDM) і часі (Time Division Multiplexing, TDM). Пропускна спроможність системи мультиплексування становить.

, , (2).

де — кількість частотних інтервалів; - кількість часових інтервалів; i — номер каналу за порядком (цілі невід'ємні числа).

Для збільшення доступних ресурсів телекомунікаційної мережі пропонується мультиплексування мереж, що розділяються:

• — за середовищами передавання сигналів (просторове мультиплексування — Space Division Multiplexing, SDM) — на лінії зв’язку по штучних напрямних, у відкритому просторі, під водою, під землею [5];
• — за фізичною природою сигналів (енергетичне мультиплексування) — на радіо, оптичні, нейтринні тощо [6].

В табл. 1 наведено порівняльні характеристики швидкостей передачі сигналів різної фізичної природи у різних фізичних середовищах.

мультиплексування зв’язок пропускний сигнал Таблиця 1. Порівняльна характеристика швидкостей передачі сигналів різної фізичної природи у різних природних середовищах.

Підземний безкабельний зв’язок широкого застосування не набув. Проте, в геофізичній розвідці земних надр для передачі інклінометричної та геофізичної інформації із свердловини на поверхню використовують акустичний та електромагнітний канали зв’язку. Для передачі/прийому акустичних сигналів використовують звукові (10−20 кГц) і ультразвукові (20 кГц — 2 МГц) сигнали. Для передачі/прийому електромагнітних сигналів використовують низькочастотну (20−60 кГц) і високочастотну (1−40 МГц) смуги частот [9]. У 2012 році була продемонстрована передача даних з використанням засобів безкабельного нейтринного зв’язку на відстань 1 035 км, в тому числі через 240 м гірської породи. Швидкість передачі даних склала близько 0,1 біт/с [10].

Схема повноцінної гібридної телекомунікаційної системи представляє собою трирівневу ієрархічну послідовність мультиплексорів (рис. 1).

Рис. 1. Функціональна схема багатоканальної системи зв’язку: І - рівень мультиплексування каналів з частотно-часовим розділенням сигналів; ІІ - рівень мультиплексування каналів з розділенням сигналів по фізичній природі; ІІІ - рівень мультиплексування каналів з розділенням сигналів по середовищу передавання

На першому рівні мультиплексування (ущільнення) використовується розділення каналів передачі по частоті, часі (див. формулу (2)).

Другий рівень включає сигнали різної фізичної природи:

, (3).

де — кількість енергетичних каналів.

На третьому рівні мультиплексування використовується просторове розділення каналів:

, (4).

де — кількість каналів по середовищах передавання сигналів в Декартових координатах (у відкритому просторі та штучних напрямних).

Остаточно, трирівневе мультиплексування каналів з розділенням сигналів по середовищу передавання, фізичній природі і первинним характеристикам можна представити у наступному вигляді:

. (5).

При m=1, n=1 система вироджується до рівня мультиплексування з розділенням сигналів по первинним характеристикам. Розширення транспортного телекомунікаційного простору (виграш трирівневої системи мультиплексування) забезпечується за умов {(m>1)(n>1)}{(m>1)(n>1)}, де , — символи диз’юнкції («АБО») і кон’юнкції («І»), відповідно.

Висновки. Показана схема системи зв’язку, яка є трирівневою ієрархічною послідовністю мультиплексорів, що об'єднують доступні ресурси — середовища поширення сигналів, сигнали різної фізичної природи, смуги частот і інтервали часу сигналів.

Наведено формулу розрахунку пропускної спроможності ділянки телекомунікаційної мережі, збільшення якої виконується за рахунок просторово-енергетичного мультиплексування каналів.

Врахована можливість постійної модернізації мережі шляхом розробки і вдосконалення систем з просторовим і енергетичним мультиплексуванням каналів.

Література

• 1. Дубов Д. В. Широкосмуговий доступ до мережі Інтернет як важлива передумова інноваційного розвитку України: аналіт. доп. / Д. В. Дубов, М. А. Ожеван. — К.: НІСД, 2013. — 112 с.
• 2. Матов О. Я. Пропускна спроможність каналу та доступність інформаційних об'єктів у розподілених мережах / О. Я. Матов, В. С. Василенко, О. В. Дубчак // Реєстрація, зберігання і обробка даних. — 2009. — Т. 11, № 2. — С. 77−82.
• 3. Kelso D. R. Open access to next generation broadband: Diss. … Doctor of Philosophy. — Queensland University of Technology, 2008. — 236 p.
• 4. Данные о распространении радиоволн, требуемые для разработки наземных оптических линий для связи в свободном пространстве. Рекомендация МСЭ-R P.1817.
• 5. Пат. 111 243 України, МПК H04J 99/00. Застосування способу дистанційного контролю глибини водойми з використанням багатоканального доступу до полів сейшового походження для здійснення багатоканального зв’язку / Анахов П. В., Анахов С. П., Анахова О. В. — №u201603370; заявл. 01.04.2016; опубл. 10.11.2016; Бюл. № 21.
• 6. Пат. 112 101 України, МПК H04J 9/00. Спосіб багатоканального зв’язку / Анахов П. В. — №u201602785; заявл. 21.03.2016; опубл. 12.12.2016; Бюл. № 23.
• 7. Lanbo L. Prospects and problems of wireless communication for underwater sensor networks / L. Lanbo, S. Zhou, J.-H. Cui // Wireless Communications and Mobile Computing. — 2008. — Vol. 8, Iss. 8. — P. 977−994. DOI: 10.1002/wcm.654.
• 8. Trisno S. Design and analysis of advanced free space optical communication systems: Diss. … Doctor of Philosophy. — University of Maryland, 2006. — 149 p.
• 9. Геофизические методы исследований / В. К. Хмелевской, Ю. И. Горбачев, А. В. Калинин и др.; под ред. Н. И. Селивестрова. — Петропавловск-Камчатский: изд-во КГПУ, 2004. — 232 с.
• 10. Stancil D. D. Demonstration of communication using neutrinos / D. D. Stancil, P. Adamson, M. Alania, L. Aliaga et al. // Modern Physics Letters A. — 2012. — Vol. 27, Iss. 12. — 10 p. DOI: 10.1142/S0217732312500770.