Способ цифровой оптической связи
Владельцы патента RU 2480912:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации (Академия ФСО России) (RU)
Изобретение относится к области цифровых оптических систем связи и может быть использовано при создании и совершенствовании таких систем. Техническим результатом является снижение задержки передачи данных при цифровой оптической связи. Результат достигается реализацией «разгоняющего» принципа построения маршрута передачи блока данных. Данный принцип заключается в таком распределении частот следования циклов цифровых электрических сигналов при их оптоэлектрических преобразованиях во второй фазе обслуживания, чтобы их значение возрастало по мере приближения к узлу-получателю. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к цифровым оптическим системам связи и может быть использовано при создании и совершенствовании таких систем.
Известны способы передачи цифровой информации по волоконно-оптическим линиям связи (Теоретические основы построения средств связи оптического диапазона: учебное пособие / И.А.Саитов, В.М.Щекотихин. - Орел: Академия ФСО России, 2008. - 491 с. - С.397-454; Волоконно-оптические системы передачи: учебник для вузов / М.М.Бутусов, С.М.Верник, С.Л.Галкин и др.; под ред. В.Н.Гомзина. - М.: Радио и связь. - 1992. - 416 с.: ил. - С.10-20, 30-38). Согласно данным способам каждая пара терминалов волоконно-оптического тракта (передающий и приемный) использует постоянную скорость (частоту следования) для передачи одного цифрового потока.
Общим недостатком аналогов является значительная задержка передачи блоков данных, связанная с использованием гипотезы о их независимости при поступлении на обслуживание.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу и выбранным в качестве прототипа является способ цифровой оптической связи (патент HU 9600785 (А2) от 28.01.1997), заключающийся в том, что принимают первый электрический сигнал, несущий порцию информации на оптическом пункте передачи, кодируют порцию информации первого электрического сигнала в последовательность элементарных единиц информации, однозначно связанных с порцией информации, где единицы следуют одна за другой в соответствии с первой заранее установленной частотой исследования циклов, вырабатывают цифровой модулированный оптический сигнал на заранее установленной длине волны, соответствующий последовательности элементарных единиц информации, однозначно связанных с порцией информации, подают модулированный оптический сигнал в волоконно-оптическую линию, имеющую заранее установленное значение унитарного ослабления на упомянутой длине волны, принимают модулированный оптический сигнал, передаваемый из волоконно-оптической линии до данного уровня оптической мощности на оптическом пункте приема, преобразуют модулированный оптический сигнал в электрическую форму, обнаруживают в преобразованном сигнале второй цифровой электрический сигнал, имеющий вторую частоту следования циклов выше первой частоты следования циклов, распознают в обнаруженном сигнале фазу электрического сигнала на первой частоте следования посредством сравнивания принятой последовательности элементарных информационных единиц по меньшей мере с одной эталонной последовательностью и проверки соответствия результата сравнивания при данном условии.
Способ-прототип предусматривает распределение пропускной способности входящих и исходящих каналов связи пропорционально квадратному корню интенсивности блоков данных и не учитывает коррелированность процессов обработки блоков данных в смежных фазах обслуживания на узлах связи. Поэтому недостатком способа-прототипа является значительная среднесетевая задержка передачи блоков данных.
Задачей изобретения является разработка способа цифровой оптической связи, позволяющего снизить среднесетевую задержку передачи блоков данных. Заявленный способ расширяет арсенал средств данного назначения и повышает своевременность связи.
В заявленном способе эта задача решается тем, что в известном способе цифровой оптической связи, в котором кодируют порцию информации первого электрического сигнала в последовательность элементарных единиц информации, однозначно связанных с порцией информации, где единицы следуют одна за другой в соответствии с первой заранее установленной частотой следования циклов, вырабатывают цифровой модулированный оптический сигнал на заранее установленной длине волны, соответствующий последовательности элементарных единиц информации, однозначно связанных с порцией информации, подают модулированный оптический сигнал в волоконно-оптическую линию, имеющую заранее установленное значение унитарного ослабления на упомянутой длине волны, преобразуют модулированный оптический сигнал в электрическую форму, обнаруживают в преобразованном сигнале второй цифровой электрический сигнал, имеющий вторую частоту следования циклов выше первой частоты следования циклов, распознают в обнаруженном сигнале фазу электрического сигнала на первой частоте следования посредством сравнивания принятой последовательности элементарных информационных единиц по меньшей мере с одной эталонной последовательностью и проверки соответствия результата сравнивания при данном условии, дополнительно принимают первый электрический сигнал, несущий порцию информации, на узле-отправителе, а затем кодируют порцию информации первого электрического сигнала в последовательность элементарных единиц информации. После того как подают модулированный оптический сигнал в волоконно-оптическую линию, принимают модулированный оптический сигнал, передаваемый по волоконно-оптической линии до данного уровня оптической мощности, на промежуточном узле, а затем преобразуют модулированный оптический сигнал в электрическую форму. После того как распознают в обнаруженном сигнале фазу электрического сигнала, вырабатывают второй цифровой модулированный оптический сигнал на заранее установленной длине волны, соответствующий второму цифровому электрическому сигналу, и подают модулированный оптический сигнал в волоконно-оптическую линию, имеющую заранее установленное значение унитарного ослабления на упомянутой длине волны, принимают модулированный оптический сигнал, передаваемый по волоконно-оптической линии до данного уровня оптической мощности, на узле-получателе, преобразуют модулированный оптический сигнал в электрическую форму, обнаруживают в преобразованном сигнале третий цифровой электрический сигнал, имеющий третью частоту следования циклов выше второй частоты следования циклов, распознают в обнаруженном сигнале фазу электрического сигнала на второй частоте следования посредством сравнивания принятой последовательности элементарных информационных единиц по меньшей мере с одной эталонной последовательностью и проверки соответствия результата сравнивания при данном условии.
Кроме того, согласно заявленному изобретению число промежуточных узлов может быть больше одного, при этом в каждом последующем промежуточном узле принимают модулированный оптический сигнал, преобразуют его в электрическую форму и обнаруживают в преобразованном сигнале цифровой электрический сигнал, имеющий частоту следования циклов выше частоты следования циклов цифрового электрического сигнала, которому соответствует принимаемый модулированный оптический сигнал.
Новая совокупность существенных признаков позволяет достичь указанного технического результата за счет того, что в каждом последующем узле (промежуточном или узле-получателе) возрастает скорость считывания цифрового электрического сигнала, передаваемого посредством волоконно-оптической системы передачи.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного способа цифровой оптической связи, отсутствуют. Следовательно, заявленное изобретение соответствует 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 изобретение поясняется следующими фигурами:
на фиг.1 - структурная схема волоконно-оптической системы передачи, реализующей предлагаемый способ цифровой оптической связи;
на фиг.2а - зависимость оптимального значения пропускной способности входящего канала связи от допустимой суммы пропускных способностей каналов двухфазной двухполюсной системы передачи;
на фиг.2б - зависимость оптимального значения пропускной способности исходящего канала связи от допустимой суммы пропускных способностей каналов двухфазной двухполюсной системы передачи;
на фиг.3 - зависимость допустимой среднесетевой задержки блока данных от допустимой суммы пропускных способностей каналов двухфазной двухполюсной системы передачи.
Реализация заявленного способа заключается в следующем (фиг.1).
Принимают первый электрический сигнал ЭС 1, несущий порцию информации, на узле-отправителе, в кодере 1 кодируют порцию информации первого электрического сигнала ЭС 1 в последовательность элементарных единиц информации, однозначно связанных с порцией информации, где единицы следуют одна за другой в соответствии с первой заранее установленной частотой следования циклов fСЦ1, в передающем оптическом модуле 2 вырабатывают цифровой модулированный оптический сигнал ЦМОС 1 на заранее установленной длине волны, соответствующий последовательности элементарных единиц информации, однозначно связанных с порцией информации, подают цифровой модулированный оптический сигнал ЦМОС 1 в волоконно-оптическую линию, имеющую заранее установленное значение унитарного ослабления на упомянутой длине волны, принимают цифровой модулированный оптический сигнал ЦМОС 1, передаваемый по волоконно-оптической линии до данного уровня оптической мощности, на промежуточном узле, в приемном оптическом модуле 3 преобразуют цифровой модулированный оптический сигнал ЦМОС 1 в электрическую форму, в электрическом регенераторе 4 обнаруживают в преобразованном сигнале второй цифровой электрический сигнал ЦЭС 2, имеющий вторую частоту следования циклов fСЦ2 выше первой частоты следования циклов fСЦ1, распознают в обнаруженном сигнале фазу электрического сигнала на первой частоте следования посредством сравнивания принятой последовательности элементарных информационных единиц по меньшей мере с одной эталонной последовательностью и проверки соответствия результата сравнивания при данном условии, в передающем оптическом модуле 5 вырабатывают второй цифровой модулированный оптический сигнал ЦМОС 2 на заранее установленной длине волны, соответствующий второму цифровому электрическому сигналу ЦЭС 2, и подают второй цифровой модулированный оптический сигнал ЦМОС 2 в волоконно-оптическую линию, имеющую заранее установленное значение унитарного ослабления на упомянутой длине волны, принимают второй цифровой модулированный оптический сигнал ЦМОС 2, передаваемый по волоконно-оптической линии до данного уровня оптической мощности, на узле-получателе, в приемном оптическом модуле 6 преобразуют второй цифровой модулированный оптический сигнал ЦМОС 2 в электрическую форму, в электрическом регенераторе 7 обнаруживают в преобразованном сигнале третий цифровой электрический сигнал ЦЭС 3, имеющий третью частоту следования циклов fСЦ3 выше второй частоты следования циклов fСЦ2, распознают в обнаруженном сигнале фазу электрического сигнала на второй частоте следования посредством сравнивания принятой последовательности элементарных информационных единиц по меньшей мере с одной эталонной последовательностью и проверки соответствия результата сравнивания при данном условии.
Кроме того, согласно настоящему изобретению число промежуточных узлов может быть больше одного, при этом в каждом последующем промежуточном узле принимают модулированный оптический сигнал, преобразуют его в электрическую форму и обнаруживают в преобразованном сигнале цифровой электрический сигнал, имеющий частоту следования циклов выше частоты следования циклов цифрового электрического сигнала, которому соответствует принимаемый модулированный оптический сигнал.
Заявленный способ цифровой оптической связи обеспечивает повышение частоты следования циклов цифровых электрических сигналов при их оптоэлектрическом преобразовании (скорости считывания блоков данных).
Для доказательства достижения заявленного технического результата приведем следующие рассуждения.
Пусть в ходе предпроектных исследований топологическая структура волоконно-оптической системы передачи декомпозирована на узлы с рангом 2 и узлы с рангом 3 и более, то есть выделены двухфазные двухполюсные СПД. При этом, согласно заявленному способу, в первой фазе обслуживания на промежуточном узле принимают модулированный оптический сигнал, соответствующий первому цифровому электрическому сигналу, имеющему первую частоту следования циклов. Во второй фазе обслуживания на промежуточном узле преобразуют модулированный оптический сигнал в электрическую форму, обнаруживают в преобразованном сигнале второй цифровой электрический сигнал, имеющий вторую частоту следования циклов выше первой частоты следования циклов. Ресурсом двухфазных двухполюсных сетей являются пропускные способности входящих и исходящих каналов связи.
Введем следующие обозначения: - допустимая сумма пропускных способностей каналов двухфазной двухполюсной системы передачи; 
- допустимая среднесетевая задержка блока данных в двухфазной двухполюсной системе передачи.
Необходимо найти минимум нелинейной целевой функции
при наличии линейного ограничения в виде равенства
,
где ρвх - интенсивность обслуживания блока данных в исходящем канале связи; σисх - параметр экспоненциального распределения.
Решив уравнение 
относительно Сисх (пропускной способности исходящего канала связи), можно найти 
- оптимальное значение пропускной способности исходящего канала связи двухфазной системы передачи. Такое решение представлено в [Саитов И.А., Трегубов Р.Б., Королев А.В. Методика оптимизации характеристик сетей передачи данных малой и средней связности. - Телекоммуникации, №11, 2006. - С.14-19]. Значение 
, обеспечивающее минимум среднесетевой задержки блока данных в зависимости от исходных данных, оказывается на 5-11% больше, чем 
(оптимальное значение пропускной способности входящего канала связи двухфазной системы передачи), во всем практически значимом диапазоне интенсивности поступления блоков данных в первую фазу.
Таким образом, скорости передачи первой и второй фаз обслуживания будут не одинаковы 
, что свидетельствует о необходимости повышения частоты следования циклов цифровых электрических сигналов при их оптоэлектрическом преобразовании.
Правомерность теоретических предпосылок проверялась с помощью имитационной модели двухфазной двухполюсной волоконно-оптической системы передачи при следующих исходных данных:
- число генерируемых заявок NБД=1000000;
- интенсивность поступления γ*=0,5 блоков данных в секунду;
- средний размер блоков данных L=128 байт;
- допустимое значение суммы пропускных способностей каналов двухфазной системы передачи лежит в следующем интервале 
.
На фиг.2а представлены следующие зависимости:
- решение прямой задачи выбора пропускной способности двухфазной двухполюсной системы передачи для входящего канала связи согласно способу-прототипу;
- решение прямой задачи выбора пропускной способности двухфазной двухполюсной системы передачи для входящего канала связи согласно настоящему изобретению.
На фиг.2б представлены следующие зависимости:
- решение прямой задачи выбора пропускной способности двухфазной двухполюсной системы передачи для исходящего канала связи согласно способу-прототипу;
- решение прямой задачи выбора пропускной способности двухфазной двухполюсной системы передачи для исходящего канала связи согласно настоящему изобретению.
На фиг.3 представлены следующие зависимости:
- минимально возможная среднесетевая задержка блока данных в двухфазной двухполюсной системе передачи, найденная согласно способу-прототипу;
- минимально возможная среднесетевая задержка блока данных в двухфазной двухполюсной системе передачи, найденная согласно настоящему изобретению.
Анализ представленных результатов имитационного моделирования позволяет сделать следующие выводы:
а) имеющийся ресурс пропускной способности двухфазной двухполюсной СПД следует распределять неравномерно, большую его часть необходимо выделить для второй фазы обслуживания, а меньшую - для первой;
б) имеется возможность в среднем на 10% снизить задержку передачи блоков данных, осуществив распределение скоростей их считывания из второй фазы обслуживания (частоты следования циклов цифровых электрических сигналов при их оптоэлектрическом преобразовании) в порядке возрастания по мере приближения к узлу-получателю.
Полученные выводы указывают на возможность решения поставленной задачи изобретения.
1. Способ цифровой оптической связи, в котором кодируют порцию информации первого электрического сигнала в последовательность элементарных единиц информации, однозначно связанных с порцией информации, где единицы следуют одна за другой в соответствии с первой заранее установленной частотой следования циклов, вырабатывают цифровой модулированный оптический сигнал на заранее установленной длине волны, соответствующий последовательности элементарных единиц информации, однозначно связанных с порцией информации, подают цифровой модулированный оптический сигнал в волоконно-оптическую линию, имеющую заранее установленное значение унитарного ослабления на упомянутой длине волны, преобразуют цифровой модулированный оптический сигнал в электрическую форму, обнаруживают в преобразованном сигнале второй цифровой электрический сигнал, имеющий вторую частоту следования циклов выше первой частоты следования циклов, распознают в обнаруженном сигнале фазу электрического сигнала на первой частоте следования посредством сравнивания принятой последовательности элементарных информационных единиц по меньшей мере с одной эталонной последовательностью и проверки соответствия результата сравнивания при данном условии, отличающийся тем, что принимают первый электрический сигнал, несущий порцию информации, на узле-отправителе, а затем кодируют порцию информации первого электрического сигнала в последовательность элементарных единиц информации, после того как подают цифровой модулированный оптический сигнал в волоконно-оптическую линию, принимают цифровой модулированный оптический сигнал, передаваемый по волоконно-оптической линии до данного уровня оптической мощности, на промежуточном узле, а затем преобразуют цифровой модулированный оптический сигнал в электрическую форму, после того как распознают в обнаруженном сигнале фазу электрического сигнала, вырабатывают второй цифровой модулированный оптический сигнал на заранее установленной длине волны, соответствующий второму цифровому электрическому сигналу, и подают второй цифровой модулированный оптический сигнал в волоконно-оптическую линию, имеющую заранее установленное значение унитарного ослабления на упомянутой длине волны, принимают второй цифровой модулированный оптический сигнал, передаваемый по волоконно-оптической линии до данного уровня оптической мощности, на узле-получателе, преобразуют второй цифровой модулированный оптический сигнал в электрическую форму, обнаруживают в преобразованном сигнале третий цифровой электрический сигнал, имеющий третью частоту следования циклов выше второй частоты следования циклов, распознают в обнаруженном сигнале фазу электрического сигнала на второй частоте следования посредством сравнивания принятой последовательности элементарных информационных единиц по меньшей мере с одной эталонной последовательностью и проверки соответствия результата сравнивания при данном условии.
2. Способ цифровой оптической связи по п.1, отличающийся тем, что число промежуточных узлов больше одного, при этом в каждом последующем промежуточном узле принимают модулированный оптический сигнал, преобразуют его в электрическую форму и обнаруживают в преобразованном сигнале цифровой электрический сигнал, имеющий частоту следования циклов выше частоты следования циклов цифрового электрического сигнала, которому соответствует принимаемый модулированный оптический сигнал.
