Технологии связи. Учебное пособие 2007

НЕГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«КУЗБАССКИЙ ИНСТИТУТ ЭКОНОМИКИ И ПРАВА»
ТЕХНОЛОГИИ СВЯЗИ
Учебное пособие
КЕМЕРОВО 2007
Технологии связи: учебное пособие / к.т.н. доцент Иценко М.Ф., к.в.н.
доцент Ю. А. Коростелев, доцент Щербаков А.И.; Кузбас. институт экон. и
права. – Кемерово, 2007. – 116 с.
2
СОДЕРЖАНИЕ
ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О СЕТЯХ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ .................................................................................................. 4
СЛУЖБЫ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ ..................................................................................................................................... 10
СЛУЖБЫ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ (ПРОДОЛЖЕНИЕ) .................................. ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
КОММУТАЦИЯ И МАРШРУТИЗАЦИЯ В СЕТЯХ СВЯЗИ .............................................................................. 22
ЦИФРОВЫЕ СЕТИ ИНТЕГРАЛЬНОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ........................................................................... 28
УСЛУГИ ЦИФРОВЫХ СЕТЕЙ ИНТЕГРАЛЬНОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ ...................................................... 35
СЕТИ СВЯЗИ С ПОДВИЖНЫМИ ОБЪЕКТАМИ ............................................................................................... 40
КАНАЛЫ И СЕТИ СВЯЗИ ......................................................................................................................................... 48
ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ ................................................................................................................................................... 53
ПРИНЦИПЫ ОБЪЕДИНЕНИЯ И РАЗДЕЛЕНИЯ КАНАЛОВ В МНОГОКАНАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ
ПЕРЕДАЧИ С ЧАСТОТНЫМ И ВРЕМЕННЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ ............................................. 61
ПЛЕЗИОХРОННАЯ ЦИФРОВАЯ ИЕРАРХИЯ ..................................................................................................... 66
СИНХРОННАЯ ЦИФРОВАЯ ИЕРАРХИЯ ............................................................................................................. 72
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ................................................................................... 78
СЕТЕВАЯ СИНХРОНИЗАЦИЯ ................................................................................................................................ 83
СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ДОСТОВЕРНОСТИ ПЕРЕДАВАЕМЫХ СООБЩЕНИЙ ................................ 87
УПРАВЛЕНИЕ СЕТЯМИ И СЕТЕВЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ .............................................................................. 92
ПРОТОКОЛЫ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СЕТЕЙ .................................................................................. 97
ТЕХНОЛОГИИ ПОСТРОЕНИЯ ЦИФРОВЫХ СЕТЕЙ СВЯЗИ ...................................................................... 101
СИСТЕМА МЕЖСТАНЦИОННОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ ................................................................................... 106
СЕТИ ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО ВЕЩАНИЯ .................................................................................. 111
УРОВНИ ПЕРЕДАЧИ ............................................................................................................................................... 116
ТИПОВЫЕ КАНАЛЫ ПЕРЕДАЧИ И ГРУППОВЫЕ ТРАКТЫ МКСП И ИХ
ОСНОВНЫЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ................................................................................................................................................. 120
НОРМИРОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУППОВЫХ ТРАКТОВ ................................................................ 120
МЕТОДИЧЕСКИЕ
РЕКОМЕНДАЦИИ
ПО
ВЫПОЛНЕНИЮ
КУРСОВОГО
ПРОЕКТА
«ОБОСНОВАНИЕ И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ». ... 124
ЛИТЕРАТУРА ............................................................................................................................................................. 134
3
1 ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О СЕТЯХ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ
Федеральную связь образуют все организации и государственные органы, осуществляющие и обеспечивающие электросвязь и почтовую связь на территории Российской Федерации. Материально-техническую основу федеральной связи составляют Единая сеть электросвязи Российской Федерации и Сеть
почтовой связи Российской Федерации.
Состав и принципы построения Единой сети электросвязи РФ
Единая сеть электросвязи Российской Федерации состоит из расположенных на территории Российской Федерации сетей электросвязи следующих
категорий:
- сеть связи общего пользования;
- выделенные сети связи;
- технологические сети связи, присоединенные к сети связи общего
пользования;
- сети связи специального назначения и другие сети связи для передачи
информации при помощи электромагнитных систем.
Для сетей электросвязи, составляющих Единую сеть электросвязи Российской Федерации, федеральный орган исполнительной власти в области связи:
- определяет порядок их взаимодействия, а в предусмотренных законодательством Российской Федерации случаях – порядок централизованного
управления сетью связи общего пользования;
- в зависимости от категорий сетей связи (за исключением сетей связи
специального назначения, а также выделенных и технологических сетей связи,
если они не присоединены к сети связи общего пользования) устанавливает
требования к их построению, управлению или нумерации, применяемым
средствам связи, организационно-техническому обеспечению устойчивого
функционирования сетей связи, в том числе в чрезвычайных ситуациях, защиты
сетей связи от несанкционированного доступа к ним и передаваемой посредством их информации.
Операторы связи всех категорий сетей связи Единой сети электросвязи
Российской Федерации обязаны создавать системы управления своими сетями
связи, соответствующие установленному порядку их взаимодействия.
Сеть связи общего пользования предназначена для возмездного оказания услуг электросвязи любому пользователю услугами связи на территории
Российской Федерации и включает в себя сети электросвязи, определяемые
географически в пределах обслуживаемой территории и ресурса нумерации и
не определяемые географически в пределах территории Российской Федерации
и ресурса нумерации, а также сети связи, определяемые по технологии реализации оказания услуг связи.
Сеть связи общего пользования представляет собой комплекс взаимодействующих сетей электросвязи, в том числе сети связи для распространения программ телевизионного вещания и радиовещания.
4
Сеть связи общего пользования имеет присоединение к сетям связи общего пользования иностранных государств.
Выделенными сетями связи являются сети электросвязи, предназначенные для возмездного оказания услуг электросвязи ограниченному кругу
пользователей или группам таких пользователей.
Выделенные сети связи могут взаимодействовать между собой. Выделенные сети связи не имеют присоединения к сети связи общего пользования, а
также к сетям связи общего пользования иностранных государств. Технологии
и средства связи, применяемые для организации выделенных сетей связи, а
также принципы их построения устанавливаются собственниками или иными
владельцами этих сетей.
Выделенная сеть связи может быть присоединена к сети связи общего
пользования с переводом в категорию сети связи общего пользования, если
выделенная сеть связи соответствует требованиям, установленным для сети
связи общего пользования. При этом выделенный ресурс нумерации изымается
и предоставляется ресурс нумерации из ресурса нумерации сети связи общего
пользования.
Оказание услуг связи операторами выделенных сетей связи осуществляется на основании соответствующих лицензий в пределах указанных в них
территорий и с использованием нумерации, присвоенной каждой выделенной
сети связи в порядке, установленном федеральным органом исполнительной
власти в области связи.
Технологические сети связи предназначены для обеспечения производственной деятельности организаций, управления технологическими процессами
в производстве.
Технологии и средства связи, применяемые для создания технологических сетей связи, а также принципы их построения устанавливаются собственниками или иными владельцами этих сетей.
При наличии свободных ресурсов технологической сети связи часть этой
сети может быть присоединена к сети связи общего пользования с переводом в
категорию сети связи общего пользования для возмездного оказания услуг связи любому пользователю на основании соответствующей лицензии. Такое присоединение допускается, если:
- часть технологической сети связи, предназначаемая для присоединения
к сети связи общего пользования, может быть технически, или программно, или
физически отделена собственником от технологической сети связи;
- присоединяемая к сети связи общего пользования часть технологической сети связи соответствует требованиям функционирования сети связи
общего пользования.
Части технологической сети связи, присоединенной к сети связи общего
пользования, выделяется ресурс нумерации из ресурса нумерации сети связи
общего пользования в порядке, установленном федеральным органом исполнительной власти в области связи.
Собственник или иной владелец технологической сети связи после
присоединения части этой сети связи к сети связи общего пользования обязан
5
вести раздельный учет расходов на эксплуатацию технологической сети связи и
ее части, присоединенной к сети связи общего пользования.
Технологические сети связи могут быть присоединены к технологическим сетям связи иностранных организаций только для обеспечения единого
технологического цикла.
Сети связи специального назначения предназначены для нужд государственного управления, обороны страны, безопасности государства и обеспечения правопорядка. Эти сети не могут использоваться для возмездного оказания услуг связи, если иное не предусмотрено законодательством Российской
Федерации.
Связь для нужд государственного управления, в том числе президентская
связь, правительственная связь, связь для нужд обороны страны, безопасности
государства и обеспечения правопорядка осуществляется в порядке, определенном законодательством Российской Федерации.
Расходы на финансирование обеспечения связи для нужд государственного управления, обороны страны, безопасности государства и обеспечения
правопорядка предусматриваются федеральным законом о федеральном бюджете на соответствующий год в составе соответствующих расходов.
Подготовка и использование ресурсов Единой сети электросвязи Российской Федерации для обеспечения функционирования сетей связи специального
назначения осуществляются в порядке, установленном Правительством Российской Федерации.
Центры управления сетями связи специального назначения обеспечивают
их взаимодействие с другими сетями Единой сети электросвязи Российской
Федерации в порядке, установленном федеральным органом исполнительной
власти в области связи.
Эталонная модель взаимосвязи открытых систем
Связь представляет собой совокупность сетей и служб связи (рис. 1).
Служба электросвязи - это комплекс средств, обеспечивающий представление
пользователям услуг. Вторичные сети обеспечивают транспортировку, коммутацию сигналов в службах электросвязи, первичные снабжают вторичные каналы. Составной частью соответствующей службы является оконечное оборудование, которое располагается у пользователя.
Рис. 1
6
В качестве примера службы можно привести телефонную. Она предоставляет услуги телефонной связи, передачи данных и др.
Следует заметить, что понятия служба и услуга трактуются в литературе
неоднозначно. Так передача данных по телефонным сетям (с использованием
телефонной службы) часто рассматривается как служба передачи данных по телефонным каналам. Откуда следует, что стоит владельцу телефона подключить
свой компьютер при помощи модема к телефонной сети, как появляется служба. Более логичным нам кажется определение, когда под службой передачи
данных мы понимаем систему связи, специально созданную для передачи данных, т.е. совокупность аппаратных и программных средств, методов обработки,
распределения и передачи данных.
В то же время служба передачи данных может предоставлять и услуги
телефонной связи. Она входит в состав служб документальной электросвязи
(ДЭС), которые обеспечивают обмен (передачу) разнообразной нетелефонной
информации. В состав служб ДЭС входят также службы телеграфные и передачи газет, телематические. Каждая служба может иметь ряд применений, которые с позиции пользователя классифицируются как услуги.
Обмен информацией в любых службах электросвязи должен осуществляться по определенным, заранее оговоренным правилам. Эти правила (стандарты) разрабатываются рядом международных организаций электросвязи.
Так, в 1978 г. в Международной организации по стандартизации (МОС)
был создан подкомитет SC16, задачей которого являлась разработка международных стандартов для взаимосвязи открытых систем. Под термином «открытая система» подразумевалась система, которая может взаимодействовать с любой другой, удовлетворяющей требованиям открытой системы. Открытой она
является тогда, когда соответствует эталонной модели взаимосвязи открытых систем (ВОС). Эталонная модель ВОС - наиболее общее описание структуры построения стандартов. Она определяет принципы взаимосвязи между отдельными
стандартами и представляет собой основу для обеспечения возможности параллельной разработки множества стандартов, которые требуются для ВОС.
Однако стандарт ВОС должен определять не только эталонную модель, но
и конкретный набор услуг, удовлетворяющих эталонной модели, а также набор
протоколов, обеспечивающих удовлетворение услуг, для реализации которых они
разработаны (рис. 2). При этом под протоколом понимается документ, определяющий процедуры и правила взаимодействия одноименных уровней работающих
друг с другом систем.
Рис. 2
7
В качестве эталонной модели в 1983 г. утверждена семиуровневая модель
(рис. 3), в которой все процессы, реализуемые открытой системой, разбиты на
взаимно подчиненные уровни. Уровень с меньшим номером предоставляет услуги смежному с ним верхнему уровню и пользуется для этого услугами смежного
с ним нижнего уровня. Самый верхний (7) уровень лишь потребляет услуги, а самый нижний (1)только их предоставляет.
В семиуровневой модели протоколы нижних уровней (1-3) ориентированы
на передачу информации, верхних уровней (5-7) - на обработку информации.
Протоколы транспортного уровня в литературе иногда выделяют отдельно, так
как он непосредственно не связан с передачей информации. Однако этот уровень
(4) ближе по своим функциям к трем нижним уровням (1-3), чем к трем верхним
(5-7). Поэтому в дальнейшем мы его будем относить к нижнему уровню.
Рис. 3
Задача всех семи уровней - обеспечение надежного взаимодействия прикладных процессов. При этом под прикладными процессами понимают процессы
ввода, хранения, обработки и выдачи информации для нужд пользователя. Каждый уровень выполняет свою задачу. Однако уровни подстраховывают и проверяют работу друг друга.
Протоколы верхнего уровня (5-7). Прикладной (пользовательский) уровень является основным, именно ради него существуют все остальные уровни. Он
называется прикладным, поскольку с ним взаимодействуют прикладные процессы системы, которые должны решать некоторую задачу совместно с прикладными процессами, размещенными в других открытых системах. Прикладной уровень эталонной модели ВОС определяет смысловое содержание информации, которой обмениваются открытые системы в процессе совместного решения некоторой заранее известной задачи.
Шестой уровень называется уровнем представления. Он определяет в основном процедуру представления передаваемой информации в нужную сетевую
форму. Это связано с тем, что сеть объединяет разные оконечные пункты (например, разные компьютеры). Если бы все оконечные пункты в сети были одного типа, то не понадобилось бы введение уровня представления. Так, в сети, объединяющей разнотипные компьютеры, информация, передаваемая по сети, должна
8
иметь определенную единую форму представления. Именно эту форму и определяет протокол шестого уровня.
Следующий пятый уровень протоколов называют уровнем сессий, или
сеансовым. Его основным назначением является организация способов взаимодействия между прикладными процессами - соединение прикладных процессов
для их взаимодействия, организация передачи информации между процессами во
время взаимодействия и «рассоединения» процессов.
Далее идут четыре протокола низшего макроуровня. Основная задача протоколов низшего уровня сводится к быстрому и надежному перемещению информации. Поэтому протоколы низшего уровня иногда называют протоколами
транспортной сети. Выход в транспортную сеть осуществляется через так называемый порт. Каждый процесс имеет свой порт. Перед входом в транспортную
сеть информация пользователя получает заголовок того процесса, который ее породил. Транспортная сеть обеспечивает передачу информации пользователя с заголовком процесса (сообщения) адресату, используя для этого протоколы низшего уровня.
Протоколы низшего уровня (1-4). Четвертый транспортный уровень в
модели ВОС служит для обеспечения пересылки сообщений между двумя взаимодействующими системами с использованием нижележащих уровней. Этот
уровень принимает от вышестоящего некоторый блок данных и должен обеспечить его транспортировку через сеть связи к удаленной системе. Уровни, лежащие выше транспортного, не учитывают специфику сети, через которую передаются данные, они «знают» лишь удаленные системы, с которыми взаимодействуют. Транспортный же уровень должен «знать», как работает сеть, какие размеры блоков данных она принимает и т.п.
Следующие три нижних уровня определяют функционирование узла сети.
Протоколы этих уровней обслуживают так называемую транспортную сеть. Как
любая транспортная система, эта сеть транспортирует информацию, не интересуясь ее содержанием. Главная задача этой сети - быстрая и надежная доставка информации.
Основная задача третьего (сетевого) уровня - маршрутизация сообщений,
кроме этого он обеспечивает управление информационными потоками, организацию и поддержание транспортных каналов, а также учитывает предоставленные
услуги.
Уровень управления каналом (второй уровень), или канальный, представляет собой комплекс процедур и методов управления каналом передай данных
(установление соединения, его поддержание и разъединение), организованный на
основе физического соединения, он обеспечивает обнаружение и исправление
ошибок.
Физический (первый) уровень обеспечивает непосредственную взаимосвязь
со средой передачи. Он определяет механические и электрические характеристики, требуемые для подключения, поддержания соединения и отключения физической цепи (канала). Здесь определяются правила передачи каждого бита через
физический канал. Канал может передавать несколько бит сразу (параллельно)
9
или последовательно, как это происходит в последовательном порте FS232. Краткая характеристика уровней приведена в табл. 1.
Таблица 1
№
уровня
Наименование
уровня
7
Прикладной
6
Представительский
5
Сеансовый
4
Транспортный
3
Сетевой
2
1
Канальный
Физический
Функции реализуемые уровнем
Представление или потребление информационных ресурсов. Управление прикладными программами.
Представление (интерпретация) смысла (значения) содержащейся в прикладных процессах информации.
Организация и проведение сеансов взаимодействия между
прикладными процессами.
Передача массивов информации, кодированных любым
способом.
Маршрутизация и коммутация информации, управление потоками данных.
Установление, поддержание и разъединение соединения
Физические, механические и функциональные характеристики каналов.
Эталонная модель ВОС - удобное средство для распараллеливания разработки стандартов для взаимосвязи открытых систем. Она определяет лишь концепцию построения и взаимосвязи стандартов между собой и может служить базой для стандартизации в различных сферах передачи, хранения и обработки информации.
2 СЛУЖБЫ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ
В настоящее время идет интенсивное развитие цифровых сетей связи.
Одним из направлений развития является цифровизация сетей связи. Это позволяет предоставить пользователям широкий набор новых услуг.
Телефонные службы. Элементы теории телетрафика
Требования, предъявляемые к телефонным службам. Пользователи
предъявляют следующие требования к телефонным службам:
- прозрачный физический канал из конца в конец (от одной абонентской
установки до другой) должен предоставляться на требуемое время сеанса;
- физический канал (в дальнейшем - канал) из конца в конец может состоять из одного или нескольких звеньев, соединенных в узлах коммутации (УК)
последовательно;
- звенья могут быть образованы каналами тональной частоты (КТЧ) систем передачи (СП) с частотным разделением каналов (ЧРК) или каналами СП
с временным разделением каналов (ВРК);
- каналы сети с КК общего пользования (ОП) являются общим ресурсом,
используемым всеми пользователями;
10
- длительность сеанса передачи информации должна зависеть исключительно от пользователя;
- сеть должна поддерживать целостность физического канала из конца в
конец;
- для создания канала из конца в конец сеть должна обеспечить обмен
сигнализацией по способу «от звена к звену»;
- качество предоставления сетевых ресурсов должно оцениваться долей
блокировок (потерь), блокировки возникают при занятости ресурсов, требуемых пользователем, или допустимым временем ожидания.
Предоставление канала «из конца в конец» эффективно не только для передачи речевой информации, но и для массовых данных: массивов большого
объема (файлов), факсимильных сообщений, цифровых видеосигналов. Такие
данные создают пользовательские установки с непрерывным потоком данных,
готовых к передаче.
Телефонные сети предоставляют пользователям тракт для передачи информации с задержкой в 10-20 с, определяемой временем набора номера вызываемого абонента и установления соединения каналов на станциях и узлах.
Система обслуживания вызовов (заявок). Если на УК не создаются
очереди ожидания освобождения каналов, то имеет место система обслуживания с отказами. В таких сетях (или на участках сетей) качество предоставления
услуг оценивается вероятностью отказа. На УК некоторых телефонных сетей,
например междугородных и международных, для отдельных категорий пользователей организуют очереди ожидания освобождения каналов. Обычно количество мест ожидания для одного направления связи невелико, а время ожидания
ограничено десятками секунд. На УК, где организуются очереди, качество
предоставления услуг оценивается вероятностью ожидания более заданного
времени.
Услуги, предоставляемые общегосударственной системой автоматизированной телефонной связи. Общегосударственная система автоматизированной телефонной связи (ОГСТфС) предназначена для удовлетворения населения и предприятий в передаче сообщений пользователей как в пределах страны, так и при выходе на международную телефонную сеть. ОГСТфС предоставляет два вида услуг: услуги доставки (передачи) информации и специальные. К услугам доставки информации относятся: передача сообщений - речевых, факсимильных, электронной почты, данных. Эти услуги предоставляются
техническими службами, использующими физические ресурсы сети. К специальным услугам относят информационно-справочные, заказные и дополнительные. Их предоставляют службы сервиса автоматически или с помощью оператора. К службам сервиса Госкомитета РФ по связи и информатизации относятся, например, такие:
- справочная местной телефонной сети (предоставляет справки о номерах
телефонов абонентов местной сети);
- справочная точного времени;
- заказная междугородной телефонной сети МТС (принимает и оформляет заказы на междугородные и международные телефонные переговоры);
11
- справочная междугородной и международной сети;
- заказная телеграфа (принимает по телефону тексты телеграмм);
- заказная ремонта местной телефонной сети;
- заказная ремонта таксофонов.
Дополнительные услуги (их также называют дополнительными видами
обслуживания - ДВО) могут предоставляться общесетевыми службами или
службой той станции, куда подключена линия абонента, программноаппаратными средствами станции или сети. К ДВО относятся, например, такие:
- сокращенный набор номера вызываемого абонента;
- передача входящего вызова на другой аппарат (переадресация);
- предоставление возможности получить справку во время разговора с
одним из пользователей (с возможностью возврата к прежнему собеседнику без
повторного набора его номера);
- конференц-связь трех и более пользователей;
- прямой вызов (соединение без набора номера).
Элементы теории телетрафика
Вычисление трафика. Теория телетрафика - раздел теории массового
обслуживания. Основы теории телетрафика заложил датский ученый А.К.
Эрланг. Его работы были опубликованы в 1909-1928 гг. Дадим важные определения, используемые в теории телетрафика (ТТ). Термин «трафик» (от англ.
traffic) соответствует термину «телефонная нагрузка». Подразумевается нагрузка, создаваемая потоком вызовов, требований, сообщений, поступающих на
входы СМО. Трафик измеряется в часо-занятиях (ч-з) или в эрлангах (Эрл).
Трафик, создаваемый одним источником и выраженный в часо-занятиях, равен
произведению числа попыток вызовов с за определенный интервал времени Т
на среднюю длительность одной попытки t: у = с • t (ч-з).
Трафик величиной в 1 Эрл равен 1 ч-з в час (ч-з/ч). Отметим, что попытка
вызова может не закончиться занятием канала (линии) в требуемом направлении связи, однако любая попытка создает нагрузку на СМО. Трафик Y, выраженный в Эрлангах, равен среднему числу одновременных занятий в течение
одного часа. Трафик можно вычислить тремя разными способами:
1)
пусть число вызовов с в течение часа равно 1800, а средняя
длительность занятия t = 3 мин, тогда
Y = 1800 выз./ч • 0,05 ч = 90 Эрл;
2)
пусть в течение времени Т фиксируются длительности ti всех п
занятий выходов некоторого пучка, тогда трафик определяют так:
n
Y  1/ T   ti ;
i 1
3)
пусть в течение времени Т выполняется наблюдение через равные
промежутки времени t за количеством одновременно занятых выходов некоторого пучка, по результатам наблюдений строят ступенчатую функцию времени x(t).
Трафик в течение времени Т может быть оценен как среднее значение x(t)
за это время:
12
n
Y  1/ T   xi (t )ti ,
i 1
где п - число отсчетов одновременно занятых выходов. Величина Y есть среднее
количество одновременно занятых выходов пучка в течение времени Т.
Колебания трафика. Трафик вторичных телефонных сетей существенно
колеблется во времени. В течение рабочего дня кривая трафика имеет два или
даже три пика (рис. 1).
Рис. 4
Час суток, в течение которого трафик, наблюдаемый длительное время,
имеет наибольшее значение, называют часом наибольшей нагрузки (ЧНН).
Знание трафика в ЧНН принципиально важно, так как им определяется количество каналов (линий), объем оборудования станций и узлов. Трафик одного и
того же дня недели имеет сезонные колебания. Если день недели является
предпраздничным, то ЧНН этого дня выше, чем в день после праздника. Если
количество служб, поддерживаемых сетью, растет, то и трафик растет. Поэтому
проблематично предсказывать с достаточной уверенностью возникновение пиков трафика. Трафик внимательно отслеживается администрацией сетей и проектными организациями. Правила измерения трафика разработаны МСЭ-Т и
используются администрациями национальных сетей для того, чтобы удовлетворить требованиям качества предоставляемых услуг как для абонентов своей
сети, так и для абонентов других сетей, связанных с ней. Теорию телетрафика
можно использовать для практических расчетов потерь или объема оборудования станции (узла) только в том случае, если трафик стационарный (статистически установившийся). Этому условию приближенно удовлетворяет трафик в
ЧНН.
Телеграфные службы
Телеграфная сеть России состоит из трех коммутируемых сетей:
- общего пользования (ОП), по которой передаются телеграммы, принятые в городских отделениях связи (ГОС), районных узлах связи (РУС) или
непосредственно на телеграфных узлах и доставляемые адресатам (учреждениям, предприятиям, частным лицам);
- абонентского телеграфирования (AT), по которой передаются телеграммы или организуются телеграфные переговоры между установленными у
абонентов этой сети оконечными абонентскими установками;
- международного абонентского телеграфирования «Телекс», по которой
передаются телеграммы или организуются телеграфные переговоры между
оконечными установками абонентов этой сети, находящихся в нашей стране и
13
за рубежом.
Кроме перечисленных, в состав телеграфной сети страны входит сеть некоммутируемых (арендованных) каналов.
Сеть общего пользования. Сеть общего пользования предусматривает
организацию по всей стране отделений связи, куда отправители сдают телеграммы и которые обеспечивают доставку телеграмм непосредственно получателю. Телеграмма может быть адресована в любой населенный пункт страны,
где имеются отделение или узел связи.
Телеграфная сеть общего пользования прошла большой путь развития и
на разных его этапах базировалась на принципах КК, КС и их сочетаний. В перспективе на сети ОП будут использоваться только методы, основанные на коммутации с накоплением информации (КС и КП).
Комбинированные сети в зависимости от того, какой метод коммутации
играет главную роль, называются сетями с КК + КС или КС + КК. Построение
сети с использованием на всех участках ее, кроме местного, коммутации каналов получило название прямых соединений (КК + КС). Этот метод до недавнего
времени широко использовался на телеграфных сетях общего пользования. Он
заключается в предоставлении тому или иному отделению связи (ОС) временного прямого соединения через узлы коммутации каналов с другими отделениями связи.
Сеть абонентского телеграфирования. Телеграфная связь общего пользования не в полной мере удовлетворяет запросы предприятий и учреждений,
нуждающихся в оперативной связи с получением незамедлительных обратных
сообщений. Телеграммы, как правило, накапливаются, прежде чем курьер
предприятия доставляет их в отделение связи. Процесс передачи и последующей доставки телеграмм адресату также требует определенного времени.
Большое число телеграмм, доставляемых в отделение связи к концу рабочего
дня от предприятий и учреждений, создает значительные пики нагрузки на сети
ОП, что замедляет прохождение телеграмм от отправителя до адресата.
Перечисленные недостатки системы ОП отсутствуют в системе абонентского телеграфирования (AT), в основу которой положен принцип максимального приближения услуг телеграфа к предприятиям и учреждениям. Это достигается установкой оконечных телеграфных аппаратов непосредственно в предприятиях и учреждениях. Предприятие, имеющее такой аппарат, включенный
через соединительную линию в коммутационные станции сети AT, становится
абонентом этой сети.
Развитие сети AT приводит к значительной разгрузке сети общего пользования и в первую очередь от транзитной корреспонденции. В существенной
степени снимаются пики нагрузки, определяющиеся телеграммами, поступившими от предприятия к концу рабочего дня.
Главные направления технического развития документальной электросвязи, включая телеграфную связь:
- поддержание функционирования существующих телеграфных сетей и
служб на уровне, необходимом для удовлетворения спроса на телеграфные
услуги;
14
- создание и развитие новых общероссийских служб документальной
электросвязи, обеспечивающих существенное расширение номенклатуры и
объемов предоставляемых услуг и распространение этих услуг по всей территории страны, аналогично существующим телеграфным службам;
- интеграция услуг документальной электросвязи.
Основным организационным принципом является сохранение единства
предприятий электросвязи, в том числе сохранение и развитие принципов совместной и скоординированной деятельности в области документальной электросвязи, обеспечение функционального и технологического единства каждой
из служб, как традиционных телеграфных, так и новых.
Использование сетей передачи данных. Применение сетей передачи
данных с коммутацией пакетов в качестве транспортной среды позволит (в
первую очередь на магистральных направлениях) получить определенную экономию за счет снижения потребностей в арендуемых каналах, а в перспективе осуществить телеграфный обмен без транзитных ЦКС. Кроме того, переход на
транспортную среду в виде сети передачи данных даст возможность обеспечить
сопряжение телеграфных служб с новыми службами документальной электросвязи, для которых передача данных с пакетной коммутацией также является
базовой транспортной системой.
Обязательным условием использования сетей передачи данных в качестве
транспортной среды - сохранение телеграфных служб, в том числе, сохранение
условий предоставления телеграфных услуг и требований со стороны служб к
телеграфному оборудованию.
Для передачи телеграфных сообщений нагрузки по сетям передачи данных необходимо модернизировать существующие ЦКС (не запланированные
для исключения из сети), дооборудовать их соответствующими устройствами
сопряжения по стыку Х.25 (шлюзами, телеграфными сборщикамиразборщиками пакетов).
Частичная модернизация и замена коммутационного оборудования
телеграфных сетей. Часть коммутационного оборудования существующих телеграфных сетей еще не исчерпала своего срока службы и может выполнять
свои функции в течение ряда лет. В связи с этим замена оборудования на более
современное, обеспечивающее аналогичные функции, но не расширяющее потребительские возможности служб, не будет носить глобальный характер и целесообразна только в обоснованных случаях. Решения по замене оборудования
должны быть в каждом конкретном случае увязаны с планами оптимизации
структуры телеграфных сетей. В качестве оборудования для замены могут использоваться новые коммутационные средства, сертифицированные для применения на телеграфных сетях России.
Замена изношенного и устаревшего оборудования позволит решить задачу поддержания функциональной готовности сетей и одновременно даст некоторое сокращение эксплуатационных затрат за счет экономии электроэнергии,
высвобождения площадей и уменьшения количества эксплуатационного персонала.
15
После появления в 50-х годах XX в. первой электронно-вычислительной
машины (ЭВМ), применение компьютерных систем - само собой разумеющийся факт.
Службы передачи данных
Первыми используемыми системами стали большие ЭВМ (mainframe),
появившиеся в 60-е годы XX в. Они применялись в коммерческих целях и для
решения задач в области обработки информации. Централизованное хранение,
обработка и представление необходимых данных оказались для администрации
и сотрудников организаций, использующих ЭВМ, весьма полезными. Недостаток больших ЭВМ - их неспособность быстро и гибко приспосабливаться к требованиям ряда практических приложений. В 70-е годы XX в. были разработаны
мини-компьютеры (мини-ЭВМ). Они за несколько лет превзошли по популярности большие ЭВМ, но применялись все же в роли дополнительной ЭВМ
наряду с централизованной (большой) ЭВМ. Благодаря им большое количество
пользователей получило доступ к компьютерным системам. В 80-е годы XX в.
появился микрокомпьютер (персональный компьютер). Развитие персональных
компьютеров и увеличение их вычислительной мощности сопровождалось одновременным уменьшением их стоимости. Персональный компьютер сегодня
максимально доступен пользователю, а его производительность существенно
превосходит производительность большой ЭВМ 60-х годов.
Компьютеры имеют свою память, свои средства поиска нужной информации, широкий набор вводно-выводных устройств, включая устройства для
ввода буквенно-цифровой информации, графических, неподвижных и видеоизображений и устройства вывода информации на бумажные носители, видеомониторы и т.п. Компьютеры воспринимают от человека задания в форме
программ по требуемой обработке информации.
Ввод информации в компьютер не является проблемой, если используются средства автоматизации ввода, например датчики систем телеметрии, электронные фотокамеры, видеокамеры, электронные весовые устройства и прочие
средства, автоматизирующие ввод информации. Проблемой является ввод буквенно-цифровой информации с твердого носителя (бумаги) с последующей обработкой данных программным путем и информации с голоса. Первая проблема решается благодаря использованию сканеров с последующим распознаванием символов, а вторая - разработкой технологий, способных распознавать речь.
Часто источники информации находятся на значительном расстоянии
друг от друга, поэтому задача быстрой и эффективной обработки информации,
поступающей от них, решается путем использования сетей передачи данных.
Применение средств передачи данных позволяет создать многомашинные комплексы, решающие задачи в широком диапазоне: от простых (обмен информацией между компьютерами в учебной лаборатории) до задач управления мощнейшими промышленными корпорациями.
Для сопряжения пользователя с сетью передачи данных используется
терминальное оборудование, которое представляет собой совокупность аппаратно-программных средств. Терминальное оборудование включает оконечное
16
оборудование данных (ООД), прикладные процессы пользователей и вводновыводное оборудование (ВВУ). Пользователем может быть человек, получающий услуги через вводно-выводное устройство или прикладной процесс, который через оборудование обработки данных подключается к системе передачи
данных (СПД). Терминальное оборудование службы передачи данных представляет собой совокупность одного или нескольких компьютеров, соответствующего программного обеспечения прикладных процессов пользователей,
периферийного оборудования, терминалов, средств передачи информации
(ООД) и т.д.
Современный персональный компьютер - это достаточно мощное вычислительное устройство, состоящее из системного блока и широкого набора
вводно-выводных устройств: монитора, клавиатуры, принтеров, сканеров,
плоттеров и т.д. В системном блоке расположена системная плата компьютера,
на которой монтируется главный элемент - процессор. На системной плате
также располагается оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). В ПЗУ хранятся программы, которые записаны на заводе-изготовителе данного компьютера, они не изменяются в процессе его эксплуатации и служат для обеспечения работы компьютера. В качестве такого программного обеспечения используется BIOS (Basic Input/Output
System) - базовая система ввода-вывода. Эти программы предоставляют в распоряжение пользователя единый набор функций системного управления, не зависящий от конкретной схемной реализации машины. Все программное обеспечение компьютеров можно разделить на системное и прикладное.
Системное программное обеспечение поставляется с компьютером или
приобретается дополнительно с целью расширения его возможностей и предназначено для обеспечения взаимодействия его составных частей, например, клавиатуры с процессором, процессора с видеомонитором и т.д.
Прикладное программное обеспечение решает задачи пользователя, который может быть сам разработчиком этих программ. В качестве разработчиков
таких программ могут выступать организации, специализирующиеся в данной
области.
Все устройства компьютера называются его аппаратным обеспечением,
которое не может работать без системного программного обеспечения. Основой
системного программного обеспечения являются операционные системы.
Например, операционная система MS-DOS фирмы «Microsoft», ориентированная на использование на локальном персональном компьютере в однопользовательском режиме. Она обеспечивает основные операции при работе пользователя с файловой системой: запуск и остановку прикладных программ.
Для облегчения работы пользователя с компьютером разработано специальное программное обеспечение, например, программа Питера Нортона - Norton Commander. В настоящее время широко применяются операционные системы с удобными для пользователя графическими экранными интерфейсами - это
такие системы, как Windows и OS/2. Однопользовательские операционные системы недолго удовлетворяли потребности пользователей персональных
компьютеров. Стало понятно, что отдельные персональные компьютеры не
17
решат проблемы обработки все возрастающих объемов информации и усложняющихся алгоритмов ее обработки, как бы не увеличивалась их мощность и
количество процессоров в них. Естественным решением проблемы стало использование компьютерных сетей, реализуемых на базе служб и сетей передачи данных. Для построения таких сетей были разработаны так называемые
сетевые операционные системы. Видное место среди таких операционных систем занимала и занимает многопользовательская операционная система UNIX.
В современных компьютерных сетевых системах нашлось место всем разновидностям вычислительных машин от больших ЭВМ до персональных компьютеров. Большие и мини-ЭВМ выполняют функции серверов, а персональные компьютеры используются как рабочие станции
Все многообразие компьютерных сетей можно классифицировать по группе признаков:
- территориальная распространенность;
- ведомственная принадлежность;
- скорость передачи информации;
- тип среды передачи.
По территориальной распространенности сети могут быть локальными, региональными и глобальными. Локальные - это сети, перекрывающие территорию
не более 10 км2; региональные - расположенные на территории города или области; глобальные - на территории государства или группы государств, например
всемирная сеть Internet.
По принадлежности различают ведомственные и государственные сети.
Ведомственные сети принадлежат одной организации и располагаются на ее территории. Это может быть локальная сеть предприятия. Несколько отделений одной кампании, расположенные на территории города, области, страны или государства, образуют корпоративную компьютерную сеть. Государственные сети сети, используемые в государственных структурах.
По скорости передачи информации компьютерные сети делятся на низко-,
средне- и высокоскоростные.
По типу среды передачи разделяются на сети коаксиальные, на витой паре,
оптоволоконные, с передачей информации по радиоканалам, в инфракрасном
диапазоне и т.д. Следует заметить, что основные отличия в принципах построения сетей определяются средой передачи.
Компьютеры, включаемые в компьютерные сети, выполняют функции либо серверов, либо рабочих станций. Серверы - это достаточно мощные ЭВМ,
предоставляющие свои ресурсы менее мощным машинам, выполняющим роль
рабочих станций. В качестве последних используются персональные компьютеры. Серверы различают по основным функциям, которые они выполняют: файловые, печати, приложений и т.д. Файловый сервер служит для хранения файлов
и предоставления их для использования рабочим станциям сети. Сервер печати
производит функции сетевой печати. На сервере приложений выполняются задачи, которые могут быть запущены с любой рабочей станции, имеющей доступ к
данному серверу.
18
Если компьютеры находятся на территории одного предприятия (организации) и включены в одну локальную сеть, то рабочие станции подключаются к
серверам через сетевое оборудование локальных сетей. Компьютеры, подключенные к разным локальным сетям, удаленным друг от друга на существенное
расстояние, соединяются с использованием средств региональных или глобальных компьютерных сетей. Возможен доступ к серверам локальных сетей с использованием сетей связи общего пользования, например, телефонной или региональных (глобальных) сетей передачи данных.
Структуры перечисленных сетей могут быть разнообразными. Для локальных более характерны регулярные структуры: шина, кольцо, звезда. Не исключены комбинации указанных структур сетей. Для региональных и глобальных
сетей более характерны иерархические структуры.
Факсимильные службы и службы документальной электросвязи
Принципы факсимильной передачи сообщений. Передаваемое изображение - оригинал - разбивается на элементарные площадки. Яркость этих площадок при отражении (или пропускании) падающего на них светового потока
преобразуется в электрические импульсы, которые в определенной последовательности передаются по каналу связи. На приеме эти электрические сигналы в
той же последовательности преобразуются в соответствующие элементы изображения на каком-либо носителе записи. В результате получается копия изображения (факсимиле).
Любое изображение можно рассматривать как совокупность большого
числа элементов, способных в различной степени отражать падающий на них
свет. Образование элементарных площадок (растр-элементов) происходит за
счет перемещения по поверхности изображения светового луча, создаваемого
светооптической системой. Процесс перемещения луча называется разверткой, в
результате действия которой изображение разбивается на строки. Отраженный
световой поток попадает на фотоэлектрический преобразователь, выходной
электрический сигнал которого повторяет форму входного светового сигнала.
Узлы передающей аппаратуры, обеспечивающие развертку изображения и фотоэлектрическое преобразование, объединяются в группу анализирующих
устройств.
В приемном аппарате осуществляется обратное преобразование переданных электрических сигналов в той же последовательности, что и на передаче.
Соответствующие электрические (или преобразованные световые) сигналы вызывают окрашивание элементарных площадок на поверхности носителя записи.
В результате записанное построчно изображение - копия переданного. Совокупность устройств, осуществляющих эти преобразования, объединяется в группу
синтезирующих устройств.
Какое бы изображение не передавалось по каналу связи, сигнал на выходе
фотоэлектрического преобразователя является аналоговым, т.е. непрерывным по
уровню и времени видеосигналом. В аналоговых аппаратах факсимильной связи
19
(аппараты группы 1 и 2) этот сигнал после усиления переносится в область высоких частот и непосредственно передается в линию связи.
В цифровых факсимильных системах аналоговый сигнал подвергается
квантованию, дискретизации по времени и кодированию. После этих преобразований цифровой сигнал по своей структуре ничем не отличается от аналогичных
сигналов систем передачи данных. Современные факсимильные аппараты - как
правило, цифровые.
По принципам предоставления услуг организация служб факсимильной
связи осуществляется по двум, традиционным для телеграфной подотрасли
направлениям - клиентские и абонентские. К клиентской службе относится
служба Бюрофакс, к наиболее ярким представителям абонентской службы - Телефакс.
Факс-сервер. Представляет собой компьютер, оборудованный несколькими специальными факсимильными платами (или одной многоканальной картой)
и интегрированный с локальной вычислительной сетью (ЛВС). Он обладает многими преимуществами по сравнению с группой из нескольких автономных телефаксов, позволяя обмениваться факсимильными сообщениями с лучшим качеством, большими удобствами и меньшими издержками. Факс-сервер наделяет
каждого пользователя ЛВС возможностью передавать и принимать факсимильные сообщения с помощью своего рабочего ПК.
Факс по запросу. Системы факс по запросу (ФПЗ) позволяют автоматизировать обработку запросов абонентов с предоставлением им факсимильных сообщений.
На сегодняшний день применение систем ФПЗ - лучший подход к решению подобного рода проблем. Системы ФПЗ позволяют в цепочке абонентсотрудник-документ полностью исключить звено «сотрудник».
Факс-рассылка. Системы факс-рассылки целесообразно использовать в
организациях, которым по роду своей деятельности приходится рассылать
большие объемы факсимильных сообщений большому числу адресатов. Системы факс-рассылки обычно строятся на базе ПК с помощью многоканальной
факсимильной карты, что позволяет одновременно рассылать по разным линиям различные по содержанию документы разным группам адресатов.
Клиентская служба Бюрофакс. Предназначена, в первую очередь, для
предоставления услуг факсимильной связи потребителям, не имеющим собственных факсимильных аппаратов (телефаксов). Служба Бюрофакс обеспечивает передачу, прием и доставку сообщений с помощью факсимильного терминального оборудования, располагаемого в так называемых «бюро общего пользования». Базой для создания предприятиями телеграфной подотрасли службы
Бюрофакс являются существующая служба доставки телеграмм и разветвленная сеть отделений связи, в которых предоставляются телеграфные услуги и которые могут быть использованы для развертывания факсимильных «бюро общего пользования».
Служба передачи газет. Обеспечивает передачу факсимильным способом оригиналов-оттисков центральных газет, поступающих от издательств в
пункты децентрализованного печатания. Для передачи газетных полос приме20
няются некоммутируемые каналы.
Службы документальной электросвязи
Система Видеотекс впервые была предложена в Великобритании в 1978
г. Вскоре эта система нашла применение и в других странах. Она получила различные названия в различных странах: в Великобритании, ФРГ, Франции, Нидерландах, Швеции, Финляндии, Японии, Канаде.
Служба Видеотекс обладает следующими характеристиками: информация представляется в буквенно-цифровой и/или графической формах; информация хранится в базах данных в виде страниц, состоящих из одного или нескольких кадров; передача информации между базой данных и абонентами
осуществляется через сети электросвязи; визуальная информация воспроизводится телевизором или другим устройством визуального отображения в формате 24 строки по 80 или 40 знаков; - доступ к базам данных осуществляется абонентом в форме диалога с помощью меню; проста в эксплуатации для широкой
публики и доступна для потребителей; дает абонентам возможность для формирования и модификации информации в базах данных; дает возможность поставщикам информации создавать и управлять базами данных, а также создавать замкнутые группы абонентов; время между окончанием запроса и получением кадра не превышает 30 с.
Голосовая или речевая почта представляет согласно «Концепции развития документальной электросвязи» еще одно направление развития средств
ДЭС. Как уже отмечалось, эта служба обеспечивает для абонентов телефонной сети возможность обмена голосовыми сообщениями без необходимости
одновременного участия в сеансе связи отправителя и получателя сообщения.
Передача голосовых сообщений осуществляется в режиме с промежуточным
хранением сообщений в цифровом виде в электронных почтовых ящиках.
Служба предоставляет абоненту все услуги, которые соответствуют типичному набору почтовых услуг.
Любой человек, у которого возникло желание послать абоненту сообщение, звонит по номеру коллективного пользования, где ему отвечает компьютер (или, в крайнем случае, диспетчер!). Компьютер голосом просит
набрать на телефонном аппарате номер «абонентского телефонного ящика», а
затем записывает на жесткий диск голосовое сообщение. Набор номера абонентского ящика осуществляется обычно в тональном режиме. Если ваш заказ принимает диспетчер, то вы просто голосом попросите соединить вас с
требуемым «абонентским ящиком».
Владелец «абонентского ящика», позвонив по номеру коллективного
пользования и набрав номер своего «абонентского ящика», может многократно прослушать пришедшие сообщения и затем стереть их. Если абонент имеет компьютер, подсоединенный к компьютерным сетям, то он может получать
все сообщения, записанные в «абонентском ящике» (голосовые, факсовые,
электронную почту) на свой компьютер. При желании абонент может получить уведомление о поступлении новых сообщений.
Набор дополнительных услуг (персональное приветствие, уведомление о
21
пришедших сообщениях на пейджер, краткий обзор сообщений, указать время
отправления сообщения, получить уведомления о невостребованных или не
доставленных сообщениях), который может предоставить компьютерная и голосовая почта, ограничивается только фантазией владельца и согласием клиента платить за них.
3 КОММУТАЦИЯ И МАРШРУТИЗАЦИЯ В СЕТЯХ СВЯЗИ
Организация связи в распределенных сетях базируется на принципах
коммутации и реализуется в узлах, соединяющих два или несколько входящих
и исходящих каналов в требуемых направлениях.
Методы коммутации в сетях связи
В целом задачу распределения информационных потоков выполняет система коммутации, состоящая из собственно сети, коммутационных станций
или узлов коммутации (УК), системы подключения пользователей и оконечных
пунктов (ОП). Наиболее важную роль в ней играют УК, обеспечивающие установление, поддержание и разъединение соединений между терминалами (телефонными аппаратами, компьютерами и т.п.), каждому из которых присвоен адрес (номер).
Известны два основных принципа коммутации: непосредственное соединение и соединение с накоплением информации. При непосредственном соединении осуществляется физическое соединение входящих в УК каналов с соответствующими адресу исходящими каналами. При соединении с накоплением
сообщений сигналы из входящих в УК каналов сначала записываются в запоминающем устройстве, откуда через определенный промежуток времени поступают в исходящие каналы.
Необходимость в соединении с накоплением возникает в силу разных
причин. Главной из них является то, что в момент прихода сигнала по входящему в УК каналу, требуемый исходящий канал может оказаться занятым передачей информации от другого источника.
В таком случае возникают альтернативные решения: первое - уведомить
источник сообщений о невозможности установления требуемого соединения в
данный момент, второе - запомнить входящее сообщение и передать его в исходящий канал после его освобождения от передачи предыдущего сообщения.
Заметим, что системы, построенные по первому принципу, получили название
систем с отказами, а построенные по второму принципу - систем с ожиданием.
Необходимо иметь в виду, что поскольку получение источником сообщений
(ИС) отказа в установлении соединения не освобождает его от необходимости
передачи сообщения, то ИС оказывается вынужденным повторять попытки
установления соединения до получения положительного результата. Так как
подлежащая передаче информация все это время хранится в памяти ИС, то раз22
личие между рассматриваемыми принципами коммутации заключается не в
том, что в первом случае запоминающее устройство отсутствует, а в том, что
оно находится в ИС (в первом случае), т.е. децентрализовано, а во втором случае - в УК, т.е. централизовано. Это различие в месте и способе хранения существенным образом влияет на услуги, оказываемые абонентам сети с различными методами распределения информации.
Принцип непосредственного соединения реализуется в системе коммутации каналов (КК). Под коммутацией каналов понимается совокупность операций по соединению каналов для получения сквозного канала, связывающего
через узлы коммутации один ОП с другим. При этом выражение «соединение
каналов» следует понимать не только в смысле физического соединения, но и
более широко - как занятие, резервирование средств передачи и коммутации
для пары взаимодействующих ОП во время сеанса связи. Таким образом, при
коммутации каналов сначала организуется сквозной канал передачи сообщений
между взаимодействующими абонентами через узлы коммутации, а затем осуществляется передача сообщений.
До тех пор пока взаимосвязанные абоненты не сообщат о своем решении
ликвидировать установленное соединение, выделенные ресурсы сети находятся
в их монопольном владении независимо от того, используются ли они в данный
момент или нет.
Такой режим имеет определенное достоинство, связанное с тем, что после организации соединения абоненты могут вести передачу в любое время
независимо от нагрузки, поступающей от других абонентов. Кроме того, передачи осуществляются с фиксированной задержкой, т.е. может быть реализован
режим передачи в реальном масштабе времени, что особенно важно при работе
в режиме диалога (переговоров двух абонентов или обмене информацией между двумя компьютерами).
Однако этот метод имеет и недостатки, главным из которых является
плохое использование ресурсов сети, в частности каналов, если взаимодействующие абоненты недостаточно активны и между передачами сообщений
наблюдаются длительные паузы. В реальных системах передачи сообщений доля пауз может быть достаточно большой. Даже в телефонных каналах речь занимает менее половины времени, а при передаче данных при диалоговом обмене человека и компьютера полезная нагрузка составляет единицы процентов
от выделенной пропускной способности.
Для повышения эффективности использования пропускной способности
трактов сети в таких диалоговых системах и были разработаны методы коммутации, при которых пропускная способность сети не закрепляется на все время
сеанса связи двух абонентов, а представляется им лишь по мере необходимости
при появлении у них сообщений для передачи.
Коммутацией с накоплением называется совокупность операций при приеме на УК сообщения или его части, накопления и последующей передачи сообщения или его части в соответствии с содержащимся в нем (ней) адресом.
При системе коммутации с накоплением (КН) ОП имеет постоянную
прямую связь со своим УК (иногда с несколькими) и передает на него инфор23
мацию. Затем эта информация поэтапно передается через узлы коммутации
другим абонентам, причем в случае занятости исходящих каналов информация
запоминается в узлах и передается по мере освобождения каналов в нужном
направлении. Известны две разновидности системы с накоплением: система
коммутации сообщений (КС) и система коммутации пакетов (КП).
Способ обслуживания, при котором заявка, поступившая в момент отсутствия свободных линий или приборов, ожидает их освобождения, называется
обслуживанием с ожиданием.
Метод КС нашел применение на телеграфных сетях общего пользования.
Метод коммутации пакетов по своей идеологии совпадает с методом КС
и отличается лишь тем, что длинные сообщения передаются не целиком, а разбиваются на относительно короткие части - пакеты. Различают два способа
(режима) передачи пакетов: режим виртуальных соединений и датаграммный.
Виртуальные соединения. По сути, это коммутация каналов, но не
напрямую, а через память управляющих компьютеров в центрах коммутации с
использованием пакетов при передаче сообщений. В виртуальной сети, прежде
чем начать передачу пакетов, абоненту-получателю направляется служебный
пакет, прокладывающий виртуальное соединение. В каждом узле этот пакет
оставляет распоряжение вида: пакеты k-го виртуального соединения, пришедшие из i-го канала, следует направлять в j-й канал. Таким образом, виртуальное
(условное) соединение существует только в памяти управляющего компьютера.
Дойдя до абонента-получателя, служебный пакет запрашивает у него разрешение на передачу, сообщив, какой объем памяти понадобиться для приема. Если
его компьютер располагает такой памятью и свободен, то посылается согласие
абоненту-отправителю (также в виде специального служебного пакета) на передачу сообщения. Получив подтверждение, абонент-отправитель приступает к
передаче сообщения обычными пакетами. Пакеты беспрепятственно проходят
друг за другом по виртуальному соединению (в каждом узле их ждет инструкция, которая обрабатывается управляющим компьютером) и в том же порядке
попадают абоненту-получателю, где, освободившись от концевиков и заголовков, образуют передаваемое сообщение, которое направляется на седьмой уровень. Виртуальное соединение может существовать до тех пор, пока отправленный одним из абонентов, специальный служебный пакет не сотрет инструкции
в узлах. Режим виртуальных соединений эффективен при передаче больших
массивов информации и обладает всеми преимуществами методов коммутации
каналов и пакетов.
Датаграммы. Для коротких сообщений более эффективен датаграммный режим, не требующий довольно громоздкой процедуры установления виртуального соединения между абонентами. Термин «датаграмма» применяют для обозначения самостоятельного пакета, движущегося по сети независимо от других пакетов. Получив датаграмму, узел коммутации направляет ее в
сторону смежного узла, максимально приближенного к адресату. Когда смежный узел подтверждает получение пакета, узел коммутации стирает его в своей
памяти. Если подтверждение не получено, узел коммутации отправляет пакет в
другой смежный узел и т.д., до тех пор пока пакет не будет принят. Все узлы,
24
окружающие данный, ранжируются по близости к адресату. Первый ранг получает ближайший к адресату узел, второй - ближайший из остальных и т.д. Пакет посылается сначала в узел первого ранга, при неудаче - в узел второго ранга
и т.д. Описанная процедура известна как алгоритм маршрутизации. Кроме детерминированных алгоритмов маршрутизации, где перспективность узла для
передачи датаграммы оценивается с помощью конкретного решающего правила, существуют вероятностные алгоритмы, где узел передачи выбирается случайно. Очевидно, что при такой маршрутизации каждая датаграмма будет идти
по случайной траектории, и, следовательно, момент поступления ее к адресату
будет случайным. При этом свойствами случайности можно управлять, т.е. добиваться, чтобы среднее время доставки не превышало заданного, а вероятность того, что какая-то датаграмма задержится более наперед заданного числа
секунд, была бы достаточно малой. Датаграммный режим используется, в частности, Internet, в протоколах UDP (User Datagram Protocol) и TFTP (Trivial File
Transfer Protocol).
Очевидно, что у каждого из рассмотренных методов коммутации имеется
своя область применения, обусловленная его особенностями. Отсюда следует
целесообразность сочетания разных методов коммутации на сетях, объединяющих большое число абонентов с отличающимися друг от друга величинами
нагрузки, характером ее распределения во времени, объемами сообщений, используемой оконечной аппаратурой. На таких сетях при небольшой средней
нагрузке и передаче сообщений большими массивами в небольшое число адресов доля потери времени на установление соединения сравнительно невелика и
предпочтительнее использовать систему с КК. При передаче же многоадресных
сообщений, необходимости обеспечения приоритетности сообщениям высокой
категории срочности и при большой загрузке абонентских установок более эффективно использовать систему с КС. При передаче коротких сообщений в интерактивном (диалоговом) режиме наиболее целесообразно использовать КП.
Выбор методов коммутации - достаточно сложная оптимизационная задача. Она решается исходя из требований к транспортной сети, которые в свою
очередь определяются особенностями трафика, классом пользователей и показателями качества их обслуживания.
Методы маршрутизации в сетях связи
Маршрут (Route) - список элементов сети связи (УК, линий связи, каналов связи), начинающийся с узла-источника (УИ) и заканчивающийся узломполучателем (УП).
ПРИМЕР.
Маршруты между УК № 1 и УК № 4 на сети, изображенной на
1
2
рис. 1, будут иметь следующую запись: 1,4
= {УК № 1, УК № 2, УК № 4}; 1,4
= {УК № 1, УК № 3, УК № 2, УК № 4}. В данном примере УК № 1 является исходящим, УК № 4 - входящим, а УК № 2, 3 -транзитными.
25
Рис. 5
Маршрутизация (Routing) - процедура, определяющая оптимальный по
заданным параметрам маршрут на сети связи между узлами коммутации.
Для реализации маршрутизации на сети в каждом транзитном УК (УК №
j), начиная с УИ, формируется таблица маршрутизации, которая представляет
собой матрицу M ( j ) размерностью ( S  1)  H j , где S - количество УК в сети; H j количество исходящих линий связи (ЛС) из j-го УК.
Матрица M ( j ) содержит информацию о предпочтительности выбора исходящей ЛС из j-го УК при поиске маршрута к i-му узлу (УП).
Первый элемент матрицы mi(1j ) вектор-строки указывает номер исходящей
ЛС из j-го УК к смежному УК, которую предпочтительнее выбрать для организации маршрута к i-му УК (УП).
Второй элемент mi(2j ) указывает номер следующей исходящей ЛС из j-го
УК к другому смежному УК, которая менее предпочтительна для организации
искомого маршрута.
Для того чтобы была возможность определять маршруты между любой
парой УК необходимо построить таблицы маршрутизации в каждом узле сети.
Совокупность таблиц маршрутизации для всех УК называется планом
распределения информации (ПРИ) на сети связи.
Одним из способов формирования плана распределения информации является формирование ПРИ по минимальному количеству транзитных УК в искомом маршруте. Возможны ситуации, когда формирование ПРИ осуществляется и по другим критериям:
- надежность элементов сети связи;
- время задержки передачи информации в элементах сети;
- скорость передачи информации и прочие.
Данные параметры являются случайными величинами и зависят от многих причин:
- вида и интенсивности трафика пользователей сети;
- условий окружающей среды при эксплуатации оборудования сети;
- технического состояния оборудования сети и других причин.
Поэтому в процессе эксплуатации сетей связи могут возникнуть ситуации, при которых необходимо скорректировать таблицы маршрутизации и тем
самым переформировать ПРИ.
26
Если в процессе эксплуатации сетей связи происходит автоматическое
переформирование ПРИ (без участия администрации сети), то такой ПРИ называют динамическим. Иначе формирование ПРИ будет статическим.
Анализ процедур, участвующих в формировании маршрутов показал, что
маршрутизация состоит из двух этапов:
1) формирование ПРИ на сети связи;
2) выбор исходящих линий связи в УК при поиске маршрута между УИ и
УП.
Протоколы, реализующие формирование и коррекцию ПРИ (формирование таблиц маршрутизации), часто называют протоколами маршрутизации.
Протоколы, отвечающие за выбор исходящих ЛС в УК (формирование таблиц
коммутации), - протоколами сигнализации.
Маршрутизация и модель ВОС. В модели ВОС функции маршрутизации возложены на третий - сетевой уровень (Network layer). Данный уровень
удобно представить в виде подуровней (рис. 6).
Рис. 6
На третьем, верхнем подуровне производится формирование ПРИ и принятие решения о его коррекции. Первоначально ПРИ формируется администрацией при проектировании или модификации сети связи. Частота коррекции ПРИ
зависит от многих факторов:
- использование статических или динамических методов маршрутизации;
- набора статистики (за определенный период времени) о состоянии элементов сети связи (неисправность и перегруженность);
- степени централизации устройств управления сетью связи (централизованные, децентрализованные или комбинированные методы управления);
- возможности администрации влиять на процесс управления сетью связи;
- наличие постоянных (не коммутируемых) соединений между пользователями сети связи.
Сформированные таблицы маршрутизации для каждого УК передаются
на второй подуровень.
На втором подуровне решается задача определения и выбора (в каждом
транзитном УК, начиная с УИ) исходящих ЛС. Вызывающий пользователь сети
инициирует пакет вызова на установление соединения с вызываемым пользователем. Пакет вызова, проходя через узлы коммутации, обращается к таблицам
27
маршрутизации, которые сформированы на третьем подуровне. Затем пакет вызова определяет исходящие ЛС. Таким образом, в каждом транзитном УК,
начиная с УИ, формируются таблицы коммутации. В таблице коммутации указываются конкретные исходящие ЛС, участвующие в формировании маршрута
между вызывающим и вызываемым пользователями.
Сформированные таблицы коммутации передаются на первый подуровень. В данном подуровне в соответствии с таблицами коммутации происходит
передача сообщения по маршруту, сформированному на втором подуровне.
4 ЦИФРОВЫЕ СЕТИ ИНТЕГРАЛЬНОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ
Основным направлением развития средств электросвязи в последнее десятилетие является завершение опытной и начало коммерческой эксплуатации
узкополосных сетей интегрального обслуживания (У-ЦСИО), начало разработки международными организациями концепции широкополосной ЦСИО (ШЦСИО), разработка методов и средств коммутации, обеспечивающих высокую
производительность узлов коммутации, а также средств высокоскоростной передачи сообщений.
Узкополосные цифровые сети интегрального обслуживания
Пользователи сетей электросвязи предъявляют повышенные требования к
составу и качеству услуг. Современная сеть электросвязи должна обеспечивать
доступ пользователей к множеству служб: речевой, данных, текста, изображений, телеконференций, выход к базам данных сетей ЭВМ, выход пользователей
частных локальных сетей к абонентам сетей общего пользования и др. В 19901992 годах практически все экономически развитые страны мира приступили к
коммерческой эксплуатации узкополосных ЦСИО. Большое количество публикаций, посвященных ЦСИО (во многих отечественных публикациях используется синоним этого наименования - цифровая сеть с интеграцией служб ЦСИС), показывает, что начало 90-х годов XX в. проходило под знаком перехода к широкополосным ЦСИО. Ш-ЦСИО позволяет достичь еще более высокого использования ресурсов сети, чем в У-ЦСИО. Страны с разным экономическим потенциалом будут, по-видимому, идти разными путями к созданию ШЦСИО, решая задачи повышения эффективности использования сетевых ресурсов путем применения асинхронного способа передачи (Asynchronous Transfer
mode, ATM) и быстрой коммутации пакетов (БКП).
Понятие интеграции в ЦСИО. Цифровая сеть интегрального обслуживания - результат эволюции сетей передачи данных и интегральной цифровой
сети связи (ИЦСС). Хотя ИЦСС в 70-е годы XX в. и называлась интегральной, в
ней были реализованы лишь первых два шага интеграции (объединения):
28
- интеграция элементной базы средств управления и коммутации (использование однотипных электронных компонентов);
- интеграция способов разделения каналов в коммутационном и каналообразующем оборудовании.
В такой сети информация пользователей передавалась в цифровой форме
только по цифровым трактам между станциями и узлами и в коммутационном
поле, в то время как абонентские линии оставались аналоговыми.
Цифровой сетью называют сеть электросвязи, в которой информация передается (по абонентским и соединительным линиям) и коммутируется (на
станциях и узлах) в цифровой форме. Цифровой сетью интегрального обслуживания называют такую цифровую сеть, которая поддерживает множество служб
электросвязи.
Под интеграцией обслуживания (служб) понимают объединение нескольких служб (речи, данных, изображений и др.), поддерживаемых одной сетью.
Понятия: интегральная цифровая сеть связи (ИЦСС) и цифровая сеть интегрального обслуживания имеют много общего, но не совпадают. Такие различия в названии сетей, каждая из которых поддерживает несколько служб, вызваны их особенностями. Так, в ИЦСС объединяющими (интегрирующими) являются временное разделение каналов в каналообразующем и коммутационном
оборудовании и элементная база коммутации и управления, а в У-ЦСИО, кроме
этого, происходит интеграция способов коммутации (коммутации каналов и
пакетов) и ряда служб, поддерживавшихся ранее другими сетями.
Особенности ЦСИО. Рассмотрим особенности ЦСИО, отличающие ее от
других сетей. Основными свойствами ЦСИО являются:
а) возможность передачи информации в цифровой форме от одного терминала (Т) до другого;
б) предоставление широкого спектра услуг (видов сервиса), включающего
передачу речевой и неречевой информации;
в) возможность подключения разнообразных терминалов к сети с
помощью многоцелевых стандартных согласующих устройств (интерфейсов)
«пользователь-сеть»;
г) обеспечение централизованной сигнализации (по общему каналу) с высокой скоростью и верностью;
д) обеспечение любого из требуемых способов коммутации: каналов или
пакетов;
е) обеспечение цифрового транспортного соединения между терминалами
оконечных абонентских пунктов;
ж) предоставление пользователям доступа к большому числу речевых и
неречевых служб через общую абонентскую линию;
з) предоставление пользователям доступа к сети через небольшое число
стандартных многоцелевых интерфейсов.
В состав У-ЦСИО должны входить три вида специализированных сетей
(рис. 7): сеть с коммутацией каналов (КК), сеть с коммутацией пакетов (КП),
сеть сигнализации (СС).
29
Концепция ЦСИО детально определена в рекомендациях серии I международного союза электросвязи МСЭ-Т (ITU-T). У-ЦСИО поддерживает множество служб, а именно: службу телефонной связи, телекса, факсимильной связи,
телетекста, телефакса, бюрофакса, телеконференций, передачи данных (ПД) с
КК, ПД с КП и др.
Рис. 7
Под службой электросвязи (service или telecommunication service) понимают совокупность аппаратных и программных средств, терминалов, линий и
каналов, используемых администрацией сети электросвязи для предоставления
услуг пользователям.
Сеть электросвязи как совокупность технических средств и служб предоставляет услуги абонентам. Отличие понятий сетей и служб (услуг) видно хотя
бы из того, что служба передачи данных родилась, не имея своей сети. Для передачи данных использовались некоммутируемые каналы, телефонная сеть и
сеть телекс. Позже начали создавать специализированные сети ПД для достижения более высокого качества ПД.
Различают три условия интеграции цифровых сетей:
- элементной базы (использование однотипных компонентов в аппаратных средствах управления, коммутации и каналообразования);
- способов разделения каналов (временное разделение) в коммутационном и каналообразующем оборудовании;
- служб (видов) электросвязи.
Структура и функции У-ЦСИО. Первые проекты цифровой телефонной
сети, названной тогда ИЦСС, были начаты в середине 60-х годов XX в. Тогда в
ИЦСС была реализована интеграция каналообразующего и коммутационного
оборудования на основе применения ИКМ с временным делением каналов. В
Европе стандартизирована аппаратура ИКМ-30/32, а в США, Японии и некоторых других странах - ИКМ-24.
На рис. 8 приведена схема телефонной ИЦСС. В ИЦСС цифровой поток
не доводился до абонентского пункта. Эта сеть поддерживала два вида служб:
телефонную и ПД. Для каждого вида служб необходим свой интерфейс с сетью.
Многофункциональный терминал на такой сети неэффективен из-за большой
сложности. Абоненту не предоставлялся стандартный цифровой стык для подключения оконечных терминалов различных служб.
30
Рис. 8
Для перехода от ИЦСС к ЦСИО необходимо выполнить целый комплекс
требований, вытекающих из особенностей каждой из служб, поддерживаемых
сетью.
Служба телефонной связи обслуживает речевой трафик. Особенность его
состоит в том, что информация передается в любой момент времени по каналу
в одном направлении. При передаче речевой информации недопустимы задержки, превышающие 25 мс. Поэтому использование методов коммутации пакетов при передаче речевой информации в ЦСИО приводит к необходимости
ужесточения требований к абсолютной величине задержки и колебаниям задержки при передаче сигналов, по сравнению с соответствующими требованиями, предъявляемыми к сети при передаче данных.
Положительной чертой речевого трафика является его относительная
устойчивость к потере части сообщения при передаче по сети.
Особенность трафика данных состоит в малой чувствительности к абсолютной величине задержки и в большой чувствительности к потере части сообщения из-за блокировок в сети.
Широкополосные цифровые сети интегрального обслуживания
Исследования и опытно-конструкторские работы, направленные на создание Ш-ЦСИО, ведутся в США, Канаде, некоторых странах Западной Европы
и Японии начиная с середины 80-х годов XX в. Необходимость интеграции в
ЦСИО широкополосных служб стала настоятельной в начале 90-х годов. Новыми службами Ш-ЦСИО, отсутствовавшими в У-ЦСИО, являются такие, как
кабельное телевидение, видеоконференцсвязь (до 15% от общего объема услуг),
высокоскоростная передача данных (до 17%), видеотелефон (до 21 %), высокоскоростной цветной телефакс (до 3 %). В 1996 г. в Западной Европе пользователями Ш-ЦСИО стали примерно 300 тыс. государственных и частных организаций. Экспертные оценки стоимости подключения пользователя к Ш-ЦСИО
дают ориентировочную величину в 2000 дол. США. Ежемесячная оплата услуг
будет превышать тариф существующих телефонных сетей в несколько раз.
Скорость передачи основного интерфейса «пользователь-сеть» (2В + D)
узкополосной ЦСИО составляет 144 Кбит/с. Эта относительно небольшая скорость ограничивает возможности развития служб, которые требуют высоких
скоростей передачи - от десятков до сотен Мбит/с. Такие скорости необходимы
при передаче подвижных изображений, цветного телефакса, проведении видеоконференций. Программы перехода от узкополосной ЦСИО к широкополосной в настоящее время реализуются в трех регионах мира - США, Европе,
Японии. Переход к Ш-ЦСИО требует развития новых направлений в техноло31
гии коммутационных систем и систем передачи. Переход к широкополосной
ЦСИО планируется провести в три этапа.
Этап 1. Перевод части служб, использовавших в узкополосной ЦСИО
метод коммутации каналов, на метод коммутации пакетов. Особенностью
транспортной системы узкополосной ЦСИО является разделенность служб КК
и КП из-за различных требований к верности и задержкам со стороны служб
ПД и передачи речевой информации.
Увеличение количества служб в Ш-ЦСИО, использующих метод КП,
возможен благодаря использованию высокоскоростных систем передачи. Использование высоких скоростей передачи позволяет уменьшить задержку пакетов. В Ш-ЦСИО применяются волоконно-оптические линии связи, отличающиеся высокой степенью защищенности от влияния внешних источников помех,
благодаря этому уменьшается коэффициент ошибок. Это позволяет упростить
протоколы сетевого и канального уровней. На этом этапе метод КК используют
только широкополосные (ШП) службы передачи изображений (подвижные
изображения, видеоконференции, цветной телефакс), так как скорости передачи
пакетов в сети недостаточны для использования метода КП. Широкополосными
считаются службы, для которых требуется предоставлять средства передачи и
коммутации со скоростями не менее чем ЗОВ (1920 Кбит/с).
Этап 2. Все службы узкополосной ЦСИО поддерживаются транспортной системой на базе коммутации пакетов.
На этом этапе задержка доставки сообщений от одного пользователя до
другого через сеть должна быть снижена до такой величины, чтобы речевая
служба могла использовать способ коммутации пакетов. Лишь службы широкополосной (высокоскоростной) связи продолжают на этом этапе базироваться
на средствах широкополосной сети с коммутацией каналов.
Этап 3. Объединение широкополосной сети с коммутацией каналов и высокоскоростной сети с КП.
Такая сеть будет строиться на базе асинхронного метода передачи (АМП)
и быстрой коммутации пакетов (БКП). Использование АМП и БКП позволит
достигнуть существенно более высокой скорости передачи по линиям и производительности цифровых систем коммутации.
Для того чтобы удовлетворить требованиям служб, используемых в широкополосной ЦСИО, она должна обладать следующими свойствами:
- обеспечивать скорость передачи информации не ниже сотен Мбит/с;
- задержка сообщений при передаче от одного оконечного пункта к другому не должна превышать нескольких сотен или даже десятков миллисекунд;
- задержка сообщения на коммутационных станциях сети не должна превышать единиц миллисекунд;
- система коммутации пакетов одной коммутационной станции должна
иметь производительность в несколько сотен тысяч пакетов в секунду.
Широкополосная ЦСИО рассматривается ITU-T как результат эволюции
узкополосной ЦСИО с основным доступом типа 2В + D. Основные отличия ШЦСИО от У-ЦСИО состоят в следующем:
32
- в абонентской сети используется волоконно-оптический кабель (вместо
двухпроводной медной абонентской линии);
- в транспортной системе информация передается со скоростями 140
Мбит/с и выше;
- терминалы широкополосных служб подключаются в точку Sb широкополосного интерфейса (при этом сохраняется основной интерфейс 2В + D через
эталонную точку S).
Интерфейс «пользователь-сеть» в Ш-ЦСИО. На рис. 9 приведена конфигурация доступа в Ш-ЦСИО.
Рис. 9
В-ТЕ - терминал широкополосных (Broadband) служб; ТЕ (Terminal
Equipments) - терминал узкополосных служб с основным интерфейсом; B-NT
(Broadband Network Termination) - блок согласования терминала с сетью для ШП
служб (сетевое окончание), реализующий функции 1, 2 и 3-го уровней ВОС; ВОЛС
- волоконно-оптическая линия связи; ЛМП - линейный мультиплексор; As средства преобразования скоростей передачи 144 Кбит/с в 150 Мбит/с; S, Sb, U эталонные точки цифрового интерфейса; АП - абонентский пункт ITU-T рекомендует два типа широкополосных интерфейсов:
а) симметричный интерфейс со скоростью 150 Мбит/с;
б) асимметричный интерфейс: скорость в направлении «сетьпользователь» - 600 Мбит/с, в обратном направлении - 150 Мбит/с. Сетевое
окончание B-NT реализует функции подключения абонентских установок к
абонентской линии и совместного использования ими общих ресурсов.
На рис. 10 показано распределение каналов в ШП интерфейсе между различными службами Ш-ЦСИО. В рекомендации G.703 ITU-T установлены следующие типы каналов, которые формируют цифровые системы передачи: В (64
Кбит/с), НО (384 Кбит/с), Н11 (1536 Кбит/с), Н12 (1920 Кбит/с), Н21 (32,768
Мбит/с), Н22 (43-45 Мбит/с), Н4 (135 Мбит/с). Эти каналы используются для
передачи данных, речи, документальной электросвязи, телевизионных программ, видеоконференцсвязи и других служб. В диапазон канала Н4 должно
помещаться 4 канала Н21 или 3 канала Н22. Здесь приведены номинальные
скорости передачи пользовательской информации по типовым каналам.
33
Рис. 10
Два типа каналов (D и Е) - используется в основном для передачи служебной информации (сигнализации «абонент-сеть», управления сетью, технической эксплуатации). Скорость передачи в D-каналах может быть равной 16
или 64 Кбит/с. Протоколы передачи в каналах типа D базируются на рекомендации Х.25 ITU-T. В канале Н12 размещаются две стереофонические программы, а в канале Н4 можно обеспечить передачу одного канала телевидения высокой четкости.
Категории (классы) услуг. Как было показано выше, в Ш-ЦСИО поддерживает большое количество служб. Каждая из них предъявляет к сети специфические требования по скорости доставки информации, организации сеанса
связи, необходимости диалога. В документах ITU-T (Рекомендация I.362) весь
диапазон служб разделен на четыре категории (табл. 1). Категория 1 предъявляет к сети наиболее жесткие требования. Это объясняется тем, что для служб
этой категории нельзя изменять скорость передачи, что характерно, например,
для телефонной связи и телевидения. Для служб 2-го класса допустима переменная скорость передачи, если при этом не происходит ухудшения качества. К
этой категории относятся службы передачи данных в интерактивном режиме и
видеоинформации. Службы категорий 3 и 4 являются службами передачи данных, для которых скорость может варьироваться. Характерная служба этих
классов - электронная почта. Службы категории 4 свойственны локальным вычислительным сетям.
Таблица 2
Характеристика
служб
Согласование во
времени между
источником и
получателем
информации
Скорость
передачи
Способ связи
Категория
1(А)
2 (В)
Требуется согласование по
времени процессов передачи и
приема информации
Постоянная
3(С)
4(D)
Не требуется согласование по времени передачи и приема информации
Переменная
С установлением соединения
34
Без установления
соединения
5 УСЛУГИ ЦИФРОВЫХ СЕТЕЙ ИНТЕГРАЛЬНОГО
ОБСЛУЖИВАНИЯ
Услуги связи в сети предоставляются пользователю только с помощью
определенных служб электросвязи. Служба электросвязи (telecommunication
service) – это организационно-техническая структура на базе сети (или совокупности сетей) связи, обеспечивающая обслуживание пользователей с целью
удовлетворения их потребностей в определенном наборе услуг электросвязи.
Согласно рекомендациям МСЭ-Т в ISDN различают два вида служб электросвязи: службы передачи (или службы переноса); телеслужбы (или службы
предоставления связи).
Электронная почта. Цифровая подпись. Электронный обмен документами
и данными
Служба передачи (bearer service) – служба электросвязи, обеспечивающая только возможность передачи сигналов между стыками сети с абонентскими оконечными устройствами, например служба передачи данных.
Телеслужба (teleservice) - служба электросвязи, обеспечивающая реализацию всех возможностей (включая функции терминалов) определенного вида
связи между пользователями. Телеслужба организуется на базе службы переноса (телефонной сети, сети телекса и др.) и терминалов. Примерами телеслужб
являются службы: телефонная, телетекс, телефакс и др.
В дополнение к классификации служб, выполненной на основе эталонной
модели ВОС, МСЭ-Т произвел дальнейшую классификацию, охватывающую
службы ISDN на скоростях передачи до 64 кбит/с и перспективные высокоскоростные службы (рис. 11).
Различают также две категории служб: интерактивные и с разветвленным
режимом работы.
Службы электросвязи
Телеслужбы
Службы передачи
Службы с разветвленным режимом работы
Интерактивные службы
Диалоговые
службы
Службы с
накоплением
Службы
по
запросу
Рис. 11
35
Службы с разветвленным режимом
работы без управления предоставлением
информации со
стороны пользователя
Службы с разветвленным режимом
работы с управлением предоставлением информации
со стороны пользователя
Интерактивные службы охватывают следующие классы служб:
 диалоговые службы;
 службы с накоплением;
 службы по запросу.
Диалоговые службы, как правило, обеспечивают прямую передачу информации в реальном масштабе времени между пользователями. Сообщения
передаются только определенному абоненту. В качестве примеров диалоговых
служб можно привести телефонную службу, службы речевой конференц-связи,
телетекса, телефакса и передачи данных.
Службы с накоплением предназначаются для связи между пользователями посредством промежуточного хранения сообщений на транзитных узлах.
Промежуточное хранение (накопление) может осуществляться в банках
хранения информации, из которых она автоматически передается в сторону
адресата в соответствии с заданными условиями (например, во время действия
благоприятных тарифов). Примерами являются службы с электронными почтовыми ящиками для речи, текста, данных и т.п.
Службы по запросу предоставляют возможность пользователю извлекать информацию из банков данных. Информация этих служб передается пользователю только по его требованию и в заданное им время. Примером службы
по запросу является видеотекс.
К службам с разветвленным режимом работы относятся службы, в которых пользователь или пассивно принимает передаваемую информацию, или
может управлять представлением информации (выбирать нужную информацию).
Службы с разветвленным режимом работы без управления представлением информации со стороны пользователя обеспечивают непрерывную передачу потока сообщений. Примерами таких служб являются службы с
разветвленным режимом работы для речи и данных, для программ звукового и
телевизионного вещания.
Службы с разветвленным режимом работы с управлением представлением информации со стороны пользователя передают сообщения как последовательность с циклическим повторением сообщений. Примером такой
службы с разветвленным режимом работы является телетекст (текст по телевизору). С помощью процедур выбора пользователь может управлять приемом
сообщений, поскольку выбор сообщения и доступ к нему осуществляется в
оконечном устройстве абонента.
Телефонная служба – это телеслужба в ISDN, отличается улучшенным
качеством и повышенным комфортом: увеличенным отношением сигнал/шум,
затуханием, не зависящим от расстояния, улучшенными показателями громкой
телефонной связи.
Служба передачи данных (data transmission service) – служба передачи,
предоставляющая определенный набор услуг передачи данных. В зависимости
от типа используемой сети связи службу передачи данных называют службой
передачи данных по телефонной сети с коммутацией, например, пакетов, каналов, с ретрансляцией кадров, с ретрансляцией ячеек.
36
Служба телекса (telex service) – телеслужба общего пользования, обеспечивающая двусторонний обмен текстовыми сообщениями и ведение документальных переговоров со скоростью 50 бод, имеющая выход на зарубежные
сети.
Служба телетекса (teletex service) – это служба, которая в дополнение к
услугам служб абонентского телеграфирования и телекса обеспечивает пользователям возможность подготовки, редактирования и печати текстовой корреспонденции, а также передачи ее через сети связи со скоростью, превышающей
скорости работы телеграфных служб.
Служба телефакса (telefax service) это телематическая служба общего
пользования, осуществляющая передачу документальных сообщений между
абонентскими факсимильными аппаратами по телефонной сети связи и другим
сетям. Факсимильная служба телефакса в ISDN служит для передачи и воспроизведения с высоким качеством изображений, чертежей, рукописей.
Служба бюрофакса (buroufax service) – телематическая служба общего
пользования, которая обеспечивает передачу документальных сообщений, поступающих в бюро общего пользования, оснащенное факсимильными аппаратами.
Комбинированная служба, или служба со смешанным режимом работы в ISDN (называемая также текстфакс в ISDN) особенно эффективна для передачи информации, включающей в себя текст, графические изображения или
черно-белые документы с эскизами от руки, или письма со штампами и подписями.
Эта служба предусматривает два режима работы: один – для передачи
текста с кодированием знаков и другой – для передачи чертежноизобразительной информации (факсимильная связь) с кодированием точек растра изображения.
Служба передачи неподвижных изображений в ISDN предназначена
для трансляции неподвижных изображений.
Служба передачи подвижных изображений. В ISDN на скорости 64
кбит/с возможна также передача подвижных цветных или черно-белых изображений. Это может быть выполнено в рамках видеотелефонных переговоров.
К службам безопасности относятся службы тревоги и экстренного вызова при пожаре, нападении, несчастном случае и т.п.
Службы дистанционного управления используются для телеметрии
(считывания показаний датчиков), контроля производственных и домашних
технических систем (отопление, электричество, газ, вода) и управления ими, а
также для управления системами дорожного движения.
Служба видеотекса (videotex service) – телематическая служба, позволяющая пользователям посредством стандартизованных процедур обращаться
к базам данных через сети связи.
Видеотекс в ISDN является дальнейшим развитием существующей службы видеотекса. Эта служба рассчитана на комбинированное применение алфавитного, векторного и фотографического способов представления информации
для эффективной передачи смешанной текстовой и графической информации.
37
Служба мультимедиа (multimedia service) – служба электросвязи, осуществляющая формирование и последующую передачу одновременно нескольких видов информации по сети электросвязи (например, может передаваться звук, текст, данные, неподвижные и подвижные изображения).
Служба телеконференции (teleconferencing service) – телеслужба,
предназначенная для организации совещаний с одновременной или последовательной передачей необходимой информации между двумя или более территориально разнесенными пунктами. Различают службы аудиографической конференции, с помощью которой осуществляется обмен речевыми и неречевыми сообщениями (текстами, рисунками и т.п.), исключая подвижные изображения, и
видеоконференции, позволяющей дополнительно производить обмен подвижными изображениями.
Видеоконференцсвязь. Система автоматического вызова.
Автоматическое управление шифрключами
Службы электросвязи предоставляют пользователям различные услуги
связи. Услуга электросвязи (telecommunication facility) – это продукт деятельности по приему, обработке, передаче и доставке сообщений электросвязи. Услуги принято подразделять на базовые (основные) и дополнительные.
Услуга электросвязи базовая (basic telecommunication facility) – услуга
электросвязи, предоставляемая пользователю при каждом его обращении к
службе (или сети) электросвязи.
Услуга электросвязи дополнительная (факультативная) (supplementary
(optional) telecommunication facility) – любая услуга электросвязи, предоставляемая службой (или сетью) в дополнение к ее базовой услуге, расширяющая
возможности и повышающая удобство пользования ею.
В службах с коммутацией эти услуги могут предоставляться на определенный согласованный срок или для отдельного соединения (сообщения). Дополнительные услуги подразделяются на обязательные для предоставления
оператором и необязательные (могут предоставляться по усмотрению оператора).
Дополнительные услуги модифицируют или дополняют базовую (основную) услугу, например, в отношении повышения качества или удобства связи.
Для абонента они как самостоятельные службы не предлагаются, а только избирательно используются в сочетании с основными услугами. Одна и та же дополнительная услуга может быть использована в нескольких службах. Примерами этого являются сокращенный набор номера, уведомление о входящем вызове, замкнутая группа пользователей и т.п.
В то время как основные услуги служб обеспечивают минимальные возможности служб и при этом являются постоянными, абонент по своему выбору
может изменять или улучшать их с помощью дополнительных услуг.
Дополнительные услуги подразделяются на следующие группы:
 услуги, связанные с абонентским доступом;
 услуги, связанные с соединением;
 услуги, связанные с информацией.
38
Услуги, связанные с абонентским доступом
Многократная связь (работа с несколькими службами).
При этом одновременно поддерживается несколько связей через одну
или различные службы с одним или несколькими абонентами.
Изменение службы во время соединения, например переход с речевой
связи на факсимильную (смешанная связь).
Опрос доступности запрашиваемой услуги, например, возможно ли использовать услугу переадресации вызовов.
Субадресация для управления определенными оконечными устройствами с различным приоритетом, а при известных условиях и с различными вызывными сигналами.
Услуги, связанные с соединением
Такими являются следующие дополнительные услуги:
сокращенный набор номера: для вызова некоторых абонентов пользователь может использовать двузначные сокращенные номера;
повторный вызов: последний из набранных номеров запоминается. Повторение набора следует после нажатия определенной кнопки или автоматически через заданное время;
прямое соединение: с заранее определенным номером соединение
устанавливается после нажатия любой кнопки или только после снятия микротелефонной трубки;
постановка на ожидание при занятости: вызывающий абонент может
заказать эту услугу, если вызываемая линия занята. При освобождении вызываемой линии (и при незанятости линии ранее вызывавшего абонента) соединение устанавливается автоматически;
извещение о поступлении вызова: при наличии уже установленного соединения вызываемый абонент акустическим сигналом и (или) визуально информируется о поступлении нового вызова с индикацией номера вызывающего
абонента. Вызываемый абонент может установить второе соединение без
нарушения первого;
переадресация вызовов: пользователь может перенаправить все входящие вызовы на любого другого абонента, указав его номер;
переключение вызовов: пользователь может заказать любой другой номер, на который будут переключаться входящие вызовы, если сам пользователь
не ответит на этот вызов в пределах определенного времени (например, трехкратной передачи посылки вызова);
переключение вызовов при занятости: поступающие вызовы переключаются на заданный номер, если вызывающий абонент занят;
перечни вызовов: для информации вызываемого абонента – запись дат,
времени и номеров вызывавших абонентов при вызовах, которые поступают во
время его отсутствия;
полное запрещение связи: по заявке абонента запрещение установления
всех входящих и исходящих соединений;
39
запрещение исходящей связи: по заявке абонента запрещаются, например, международные или междугородные соединения;
запрещение входящей связи: по заявке абонента вводится временное
запрещение на все входящие соединения;
постоянный перехват оплаты: вызываемый абонент принимает на себя
полную оплату соединений при входящих вызовах;
будильник (напоминание): пользователь может заказать вызов на свой
аппарат в определенное время;
циркулярный вызов, циркулярная передача: для односторонней передачи сообщений осуществляется одновременно или последовательно вызов
нескольких абонентов (распределение информации);
подключение третьего абонента: пользователь может переключить
установленное соединение в режим ожидания, чтобы организовать дополнительное соединение с третьим абонентом для наведения справки или чтобы перехватить соединение, поставленное на ожидание;
конференц-связь: соединение одновременно с несколькими абонентами.
Услуги, связанные с информацией
Такими являются следующие услуги:
выдача справок: информация, например, об измененных номерах;
указание даты и времени при установлении соединения;
указание о наличии поступившего сообщения: абонент службы с
накоплением, имеющий электронный почтовый ящик, автоматически информируется сетью (системой электронной почты) о поступлении сообщения в его
почтовый ящик;
выявление абонентов, осуществляющих злонамеренные вызовы: регистрация номеров злонамеренных абонентов;
указание номера вызывающего абонента у вызываемого абонента.
6 СЕТИ СВЯЗИ С ПОДВИЖНЫМИ ОБЪЕКТАМИ
В последние годы наблюдается резкий рост числа пользователей радиосетей как у нас в стране, так и за рубежом. В ряде случаев такие сети целесообразно создавать не только для обеспечения связи между подвижными объектами, где таким сетям нет альтернативы, но и для организации связи между стационарными объектами. К таки сетям относятся сотовые сети связи и сети персонального радиовызова. Кроме этого широкое распространение получили
транкинговые системы радиовызова и спутниковые системы подвижной радиосвязи.
Сотовые сети связи
В 1982 г. Европейская конференция администраций почт и связи (СЕРТ)
организовало рабочую группу под названием Group Speciale Mobile (GSM) для
40
разработки общих технических условий первой цифровой мобильной сети.
Внедрение стандарта началось в 1991 г. Передача в системе GSM-900 ведется в
диапазоне 890...915 МГц для передатчиков MS и 935...960 МГц для передатчиков BS. В полосе 25 МГц размещается 124 канала, каждый из которых занимает
полосу 200 кГц. Каждый частотный канал уплотняется по времени (8 временных позиций). Таким образом, общее количество каналов в полосе 25 МГц равно 992.
Американский цифровой стандарт ADS (D-AMPS) разрабатывался для
отличных от Европы условий: диапазон 800 МГц и работа в общей с существующей аналоговой AMPS полосе частот. Сохранен также разнос каналов 30 кГц.
Применение временного разделения каналов (три временных канала на одну
несущую), а также сот с малым радиусом позволило значительно увеличить емкость D-AMPS по сравнению с AMPS. Обеспечение требования совместимости
аналоговой и цифровой сети, а также сохранение существующего парка аналоговых абонентских станций в новых условиях работы привели к необходимости
создания и применения аналого-цифровых MS с автоматическим выбором режима передачи и приема.
Японский стандарт IDS во многом совпадает с американским. Основные
отличия заключаются в использовании другого частотного диапазона, а именно
810...826 МГц и 940...956 МГц. Стандарт адаптирован также к диапазону 1,5
ГГц. Количество речевых каналов на одну несущую в зависимости от скорости
преобразования речи 3 или 6, разнос частотных каналов 25 кГц.
Цифровые системы GSM, D-AMPS, IDS являются системами сотовой связи второго поколения.
Принципы построения цифровых систем позволили применить при организации сотовых сетей новые, более эффективные, чем в аналоговых системах,
модели повторного использования частот. В результате без увеличения общей
полосы частот значительно возросло число каналов на соту. Так, вид модуляции, способы кодирования и формирования сигналов в каналах связи, принятые
в GSM, обеспечивают прием сигналов при отношении сигнал - помеха 9 дБ, в
то время как в аналоговых системах этот показатель равен 18 дБ. Поэтому передатчики BS, работающие на совпадающих частотах, могут размещаться в более близко расположенных сотах без ухудшения качества связи.
В рамках макросотовой структуры сотовых сетей, на основе которой построены существующие аналоговые и цифровые сети, дальнейшее увеличение
их емкости может быть достигнуто двумя способами: расширением используемой полосы частот и снижением уровня межканальных помех, что даст возможность чаще повторять частоты.
Первый способ очевиден, но трудно реализуем из-за дефицита частотного
ресурса.
Второй способ, связанный со снижением уровня межканальных помех,
основан на следующих методах: применение секторных (направленных) антенн
в сотах вместо антенн с круговой диаграммой направленности; адаптивное распределение каналов по сотам с учетом нагрузки и минимизации отношения
сигнал - помеха; автоматическая регулировка уровня мощности передающих
41
устройств MS и BS; использование методов пространственного разнесения антенн на приеме.
С помощью секторных антенн в моделях повторного использования частот с двумя BS можно увеличить емкость сетей стандарта GSM до 40 % по
сравнению с использованием антенн с круговой диаграммой направленности
при коэффициенте повторного использования частот С=7.
Адаптивное распределение каналов по сотам с учетом нагрузки и минимизации отношения сигнал - помеха позволяет увеличить емкость сетей на 4050 %.
Автоматическая регулировка мощности передатчиков MS и BS в процессе сеанса связи также эффективно уменьшает межканальные помехи.
Пространственное разнесение антенн дает общий выигрыш в отношении
сигнал - помеха около 4.-.7 дБ. В стандарте IDS достигается максимальный выигрыш за счет разнесения антенн на BS и MS. В стандарте GSM и ADC предусматривается разнесение антенн только на BS. Совместное применение адаптивного распределения каналов и пространственное разнесение антенн увеличивают емкость сетей стандарта ADC в 8,7 раза, по сравнению с аналоговыми
системами. Для GSM и IDS этот коэффициент может быть более 10.
На этапе создания сотовых систем второго поколения основными методами увеличения их емкости являются переход от макросот к микросотам (радиус сотни метров), а также эффективные методы повторного использования
частот. Однако они ограничивают возможности сотовых систем второго поколения по емкости и видам предоставляемых услуг связи в рамках выделенного
диапазона частот.
Если не учитывать перехода на полускоростные каналы связи (каналы, в
которых в 2 раза уменьшена скорость преобразования аналоговых сигналов в
цифровые), то рост емкости сотовых систем второго поколения может происходить только путем перевода существующих стандартов в новые диапазоны
частот. В качестве примера можно привести распространение рекомендаций
стандарта GSM-900 на стандарт DCS-1800.
Дальнейшее увеличение емкости сотовых сетей без значительного расширения рабочей полосы частот возможно при создании новых протоколов
связи и методов управления сетью, включающих процедуры распределения частотных и временных каналов по сети, место-определения MS и «эстафетной
передачи». Данные задачи решаются в рамках создания сотовой системы третьего поколения, которая будет отличаться унифицированной системой радиодоступа, объединяющей существующие сотовые и бесшнуровые системы с информационными службами XXI века.
Такая система разрабатывается под названием UMTS (Universal Mobile
Telecommunications Servise - универсальная система подвижной связи). Для будущей системы подвижной связи общего пользования рекомендуется диапазон
частот 1...3 ГГц, в котором будет выделена полоса 60 МГц для персональных
станций и 170 МГц для подвижных станций. Международный союз электросвязи (МСЭ) признал, что космические системы передачи должны быть неотъемлемой частью будущей сети.
42
Транкинговые системы радиовызова
Транкинговые системы радиосвязи (TCP) являются развитием систем низовой полудуплексной радиосвязи и по ряду признаков могут быть соотнесены
с сотовыми системами связи. В отличие от обычных систем с постоянно закрепленными частотными каналами в TCP применяется динамическое распределение каналов. Термин «транкинг», принятый в сфере профессиональной радиосвязи, означает метод свободного доступа большого числа абонентов к
ограниченному числу каналов (пучку, стволу или, по зарубежной терминологии, - транку). Поскольку в какой-либо момент времени не все абоненты активны, необходимое число каналов значительно меньше общего числа абонентов.
Когда радиоабонент транкинговой системы осуществляет вызов, система
назначает ему один из имеющихся свободных каналов. При этом статистика активности обычно такова, что небольшого количества выделенных каналов достаточно для обслуживания значительного числа абонентов.
В отличие от обычных систем радиосвязи TCP характеризуются следующими признаками:
- экономное использование радиоспектра;
- наличие одной или нескольких базовой радиостанций и системы управления;
- возможность выхода в другие сети, в частности в телефонную сеть общего пользования;
- увеличение зоны обслуживания путем создания многозоновой сети;
- передача данных и телеметрической информации;
- множество сервисных возможностей.
Перечисленные выше признаки характерны и для сотовых систем связи.
Однако в отличие от сотовых транкинговые системы в первую очередь ориентированы на задачи, связанные с оперативным управлением. Список потребителей здесь чрезвычайно широк - подразделения железных и автомобильных
дорог, предприятия энергетического комплекса, администрации всех уровней,
учреждения городского хозяйства, правоохранительные органы, отряды МЧС,
коммерческие структуры и т.д.
В сравнении с сотовыми системами к преимуществам TCP, позволяющим
отдать им предпочтение при организации оперативной связи, следует отнести:
- гибкую систему вызовов - индивидуальный, групповой, вещательный,
приоритетный, аварийный и др.;
- гибкую систему нумерации - от коротких двух- или трехзначных до
полноценных городских номеров;
- малое время установления соединения - менее секунды, против нескольких секунд в сотовых системах;
- возможность работы в группе;
- наличие (в ряде систем) режима непосредственной связи между двумя
абонентскими радиостанциями без участия базовой;
- экономичность - по стоимости оборудования и по эксплуатационным
расходам TCP в несколько раз экономичнее сотовых систем.
43
Сравнивая сотовые и транкинговые системы, необходимо отметить, что
при внешней структурной схожести они существенно отличаются по ряду
функциональных особенностей и системных возможностей. Если первые ориентированы на потребителей обычных телефонных услуг и окупаются в регионах с высокой плотностью населения (порядка тысячи и более абонентов в
зоне), то вторые прежде всего являются средством оперативной и производственно-технологической связи и рентабельны при на порядок меньшем числе
абонентов.
Следует заметить, что сами термины «сотовые» или «транкинговые системы» малоинформативны с точки зрения выявления их отличий. Так, в сотовых системах используется метод динамического распределения каналов, т.е.
транкинг, и наоборот, современные многозоновые транкинговые системы содержат ряд «родовых» признаков сотовых систем. Эти термины сложились исторически и обозначают системы мобильной радиосвязи, которые развивались
своими путями, решая разные задачи.
Благодаря перечисленным особенностям транкинговые системы заняли
самостоятельную нишу на рынке оборудования средств радиосвязи. Многие
ведущие фирмы - Motorola, Nokia, Ericsson и др. - наряду с обычными радиостанциями производят также и сотовое, и транкинговое оборудование, ориентированное на соответствующие секторы этого рынка.
Сети персонального радиовызова
Под персональным радиовызовом (пейджингом) понимается услуга электросвязи, обеспечивающая одностороннюю передачу информации в пределах
обслуживаемой зоны. Для выполнения функции пейджинга СПРВ должна
иметь несколько взаимоувязанных служб. Типовая структурная схема взаимодействия служб СПРВ приведена на рис. 12.
Основной службой любой СПРВ является служба отправки сообщений,
предназначенная для управления передатчиком (передатчиками) системы и отправки сообщений обслуживаемым ею абонентам. В СПРВ от пользователей
могут приниматься для передачи неформализованные, формализованные, цифровые и голосовые сообщения. Для обеспечения функций отправки организуются службы подготовки сообщений при помощи операторов, автоматической
отправки и голосовой почты. Служба автоматической отправки цифровых сообщений позволяет отправить сообщение абоненту самостоятельно, без участия
оператора, что существенно повышает оперативность доведения его до адресата.
44
Рис. 12
Сообщение набирается при помощи клавиатуры абонентского аппарата,
роль которого может выполнять телефон с DTFM набором. С этой службой
тесно взаимодействует служба автоматической отправки формализованных сообщений, позволяющая отправить абоненту стандартное текстовое сообщение,
причем каждому такому сообщению соответствует определенный цифровой
код, который набирается вместо сообщения. Служба голосовой почты обеспечивает передачу звуковых посланий. Оператор принимает звуковые послания и
передает на абонентский приемник (пейджер) сообщения о поступлении голосового послания. Абонент, получивший сообщение о послании, звонит с телефона с DTFM набором на пейджинговую станцию, набирает на клавиатуре телефона свой номер, номер поступившего послания и пароль. После этого поступившее послание передается абоненту на телефонный аппарат.
С целью обеспечения удаленного доступа и взаимодействия с другими
СПРВ организуются службы удаленного доступа и роуминга соответственно.
Служба удаленного доступа позволяет за счет организации вынесенных
.рабочих мест операторов обеспечивать доступ к системе различным организациям и предприятиям, осуществлять компьютерную рассылку сообщений и
совмещать услуги электронной почты с услугой передачи сообщения о поступлении письма. Служба роуминга (или служба рассылки сообщений) обеспечивает получение абонентом сообщений в том случае, когда он находится вне зоны действия своей, системы. Благодаря данной службе поступившее сообщение
может быть передано в пейджинговую систему того города, в котором находится абонент. Типовой состав оборудования современной СПРВ представлен
на рис. 13.
45
Рис. 13
Основным элементом СПРВ является пейджинговый терминал, предназначенный для приема сообщений от системы сбора информации, формирования низкочастотного модулирующего сигнала на передатчик в соответствии с
используемым протоколом и управления пейджинговыми передатчиками системы. Для передачи сообщения пейджинговый терминал сопрягается с пейджинговым передатчиком, управляя им и подавая на него модулирующие сигналы. Передатчик СПРВ и пейджинговый сервер реализуют функции базовой
службы отправки сообщений. Пейджинговый сервер получает подлежащие передаче сообщения от системы Сбора информации, реализующей функции базовых служб подготовки сообщений.
Спутниковые системы подвижной радиосвязи
Примером спутниковой системы подвижной связи является система
«Глобалстар».
Эта система, используя сеть низкоорбитальных спутников или объектов
(НОО), предоставляет услуги по передаче голоса, данных, обмену сообщениями, факсимиле и услуги определения местонахождения для клиентов во всем
мире, использующих существующие общественные или частные телефонные
компании. Она состоит из трех основных сегментов (космический сегмент, сег46
мент пользователя, наземный сегмент), взаимодействующих с существующими
наземными сетями связи.
Космический сегмент системы «Глобалстар» представляет собой группировку из 48 низкоорбитальных спутников.
Каждый спутник содержит антенный комплекс, формирующий 16 лучей,
создающих на поверхности Земли зону обслуживания диаметром в несколько
тысяч километров, внутри которой возможна коммутация на любую CDMAнесущую с шириной полосы развертывания 1,25 МГц.
Благодаря низкой орбите спутников задержка сигнала и его искажения
минимальны. Спутниковая система «Глобалстар» разработана таким образом,
что не требует сложных и мощных пользовательских терминалов и наземных
станций, что позволяет использовать портативные пользовательские терминалы, сопоставимые по размерам с обычными сотовыми телефонами.
Пользовательский сегмент состоит из портативных (ПАУ), мобильных
(МАУ) и стационарных (САУ) терминальных устройств, использующихся для
передачи голоса, данных и определения местоположения. Различают одно-,
двух-и трехмодовые устройства. Одномодовые устройства используют только
для доступа к системе «Глобалстар». Двух- и трехмодовые устройства, кроме
доступа к системе «Глобалстар», также используются для доступа к наземным
сотовым или другим мобильным радиосетям.
Наземный сегмент состоит из станций сопряжения, центра управления
наземным сегментом (ЦУНС), центра управления космическим сегментом
(ЦУКС), телекомандного оборудования, сети передачи данных и центров
управления поставщиков услуг (ЦУПУ).
Наземный сегмент на территории России включает три станции сопряжения (Москва, Новосибирск, Хабаровск), обеспечивающей около 98 % охвата
территории России южнее 70-й параллели с гарантированным качеством обслуживания. Каждая станция сопряжения связана с сетью общего пользования
страны и может быть интегрирована с действующими стационарными и сотовыми сетями России. Каждая станция включает в себя антенную площадку с
четырьмя антенными комплексами (АК) (диаметр антенны 5 м), приемопередающую радиоаппаратуру, а также оборудование для маршрутизации и коммутации вызовов (отвечает за земную связь, в том числе за GSM-связь).
Коммутационное и канальное оборудование связано волоконнооптическими линиями с антенной площадкой. Оно осуществляет передачу и
прием сигналов CDMA на промежуточной частоте.
Программно-аппаратный комплекс управления оборудованием станции
сопряжения обеспечивает не только визуализацию сети в целом, но и оперативное отслеживание спутников, работающих в данный момент с антеннами станции сопряжения. В число функций программного обеспечения (ПО) управления
входят формирование ежесуточных отчетов о возникающих неисправностях,
работе антенных комплексов, активности абонентов и многое другое. Все российские станции сопряжения соединены между собой магистралями (64
кбит/с), принадлежащими «ГлобалТел», по которым и проходит внутренний
трафик российского сегмента «Глобалстар».
47
Абонентские линии обеспечивают передачу между спутниками и конечными пользователями мобильных терминалов, фидерные линии - передачу сообщений пользователя между спутниками и наземными базовыми станциями.
Сегмент пользователя образуют абонентские терминалы нескольких типов: портативные (трубка в руке), аналогичные сотовым телефонам; мобильные
(устанавливаемые на подвижном средстве); стационарные телефонные аппараты, концентраторы, таксофоны.
7 КАНАЛЫ И СЕТИ СВЯЗИ
Электросвязь представляет собой одно из основных и важнейших средств
связи. Главное ее достоинство – возможность передачи сообщений на любое
требуемое расстояние при минимальной задержке времени. В настоящее время
для передачи наибольших по объему потоков сообщений используются радиорелейные, тропосферные, проводные и спутниковые средства связи. С их помощью осуществляются все современные виды электросвязи: телефонная, телеграфная, передача данных, факсимильная связь, звуковое вещание, видеотелефон, телевидение.
Каналы передачи и групповые тракты
Сообщения в форме электрических сигналов передаются по каналам
электросвязи. При этом каналом электросвязи (рис. 14) называется совокупность технических средств и среды распространения, обеспечивающая при
подключении оконечных абонентских устройств передачу сообщений данного
вида. В зависимости от вида сообщения каналы электросвязи подразделяются
на телефонные каналы, телеграфные, каналы передачи данных, факсимильные,
звукового вещания, видеотелефонные и телевизионные. Каналы электросвязи
являются, как правило, каналами двустороннего действия.
Рис. 14
Канал электросвязи большой протяженности представляет собой сложный и дорогостоящий комплекс. Поэтому в силу экономических и организационно-технических факторов представляется целесообразным иметь определенный набор типовых (стандартных) каналов универсального назначения, на основе которых должны создаваться каналы электросвязи для всех видов связи.
Такие каналы называются каналами передачи (рис. 1). Если сигнал данного ви48
да связи не пригоден для непосредственного ввода в канал передачи, то канал
электросвязи дополняется устройствами преобразования сигналов АП1 на входе и устройствами обратного преобразования АП2 на выходе.
Каналы передачи создаются при помощи многоканальной системы передачи, которая представляет собой совокупность технических средств и среды
распространения, обеспечивающую образование каналов на основе некоторого
общего принципа. В настоящее время основой почти всех систем передачи является либо принцип частотного разделения каналов (ЧРК), либо принцип временного разделения каналов (ВРК), который используется главным образом в
цифровых системах передачи (ЦСП).
Аппаратура одной или нескольких систем передачи совместно с общей
для них средой распространения представляют собой многоканальную линию
передачи - радиорелейную, тропосферную, проводную или спутниковую. Узлы
связи и соединяющие их многоканальные линии передачи образуют сети связи.
Современные многоканальные системы передачи подразделяются на системы с частотным разделением каналов, основу которых составляют аналоговые каналы, и цифровые системы передачи, в которых наиболее просто реализуются цифровые каналы. Для передачи цифровых сигналов по аналоговым каналам и аналоговых по цифровым применяют устройства преобразования сигналов, которые либо входят в состав канало-образующей аппаратуры, либо являются самостоятельными устройствами. Мерой емкости многоканальных систем с ЧРК и ЦСП служит канал тональной частоты (ТЧ) с эффективной полосой частот 0,3-3,4 кГц, рекомендованный МККТТ в 1946 году в качестве
универсального.
В современных системах передачи предусматриваются типовые групповые тракты, представляющие собой совокупность устройств, обеспечивающих
передачу суммарного многоканального сигнала в нормализованной полосе частот (в системах с ЧРК) или в нормализованном цифровом потоке (в ЦСП). На
основе групповых трактов осуществляется выделение групп каналов на узлах
связи, передача групп каналов из одной системы в другую, совместная работа
систем с ЧРК и ЦСП. В связи с этим различают простые каналы и простые
групповые тракты, имеющие аппаратуру их формирования только на входе и
выходе, а также составные, организованные транзитным соединением нескольких простых.
Каналы и групповые тракты систем с ЧРК. Современные системы передачи с ЧРК строятся на основе рекомендованных МККТТ 12-, 60- и 300канальных групп каналов ТЧ, причем 12-канальные группы часто формируются
из 3-канальных предгрупп. Помимо прочих достоинств, при таком построении
в системе передачи появляются групповые (предгрупповые) тракты емкостью в
3, 12, 60 ли 300 каналов ТЧ. Основные электрические параметры типовых
групповых трактов даны в табл. 3.
На базе типовых групповых трактов формируются широкополосные каналы передачи соответствующей емкости. Выделение полосы частот группового тракта из спектра частот данной системы передачи для целей транзита или
организации широкополосного канала передачи осуществляется при помощи
49
полосовых фильтров. В военно-полевых системах передачи с ЧРК предусмотрено выделение полос частот предгрупповых и первичных групповых трактов,
для чего в составе каналообразующей аппаратуры имеются соответствующие
транзитные фильтры.
Таблица 3
Наименование
Предгрупповой тракт
Первичный групповой
тракт
Вторичный групповой
тракт
Третичный групповой
тракт
Емкость
канн.
ТЧ
Рабочая полоса частот,
кГц
3
Относительные уровни, дБм
Сопротивление
нагрузки, Ом
передачи
приема
12,3 – 23,4
- 36
- 14
600
12
60,6 – 107,7
- 36
- 23
150
60
312,3 – 551,4
- 36
- 23
75
300
812,3 –
2043,7
- 36
- 23
75
Типовой канал ТЧ является четырехпроводным, имеет эффективную полосу 0,3-3,4 кГц, рассчитан на нагрузки 600 Ом, относительный уровень передачи -13 дБ (-1,5 Нп) и относительный уровень приема 4 дБ (0,5Нп). В качестве канала передачи он предназначен для организации телефонных и телеграфных каналов, каналов передачи данных и факсимильных каналов. Каналы
ТЧ исторически возникли как каналы телефонной связи, которые и до сих пор
являются наиболее многочисленными. Поэтому устройства формирования телефонного канала на основе канала ТЧ обычно входят в состав каналообразующей аппаратуры многоканальных систем передачи. С учетом этого обстоятельства предусматривается несколько режимов работы, которые принято
называть режимами канала ТЧ, хотя в действительности некоторые из них относятся к каналу ТЧ, как к каналу передачи, а другие - к телефонному каналу.
Типовые режимы различаются схемой входа канала, относительными уровнями
и остаточным затуханием. Остаточным затуханием канала ТЧ называется его
рабочее затухание при нагрузках по 600 Ом. Остаточное затухание канала ТЧ
рассчитывается и измеряется на частоте 800 Гц.
В многоканальных системах передачи с ЧРК предусмотрены следующие
режимы работы канала ТЧ: 1) четырехпроводный оконечный (4 ПР ОК), предназначенный для включения аппаратуры тонального телеграфирования, передачи данных и факсимильной связи, а также для долговременных транзитных
соединений;
2) четырехпроводный транзитный (4 ПР ТР) - для транзитных соединений каналов ТЧ данного полевого узла связи; 3) двухпроводный оконечный (2
ПР ОК) - для открытой телефонной связи с выходом на двухпроводную абонентскую линию; 4) двухпроводный транзитный (2 ПР ТР) - для временных
транзитных соединений открытых телефонных каналов. Номинальные, значения относительных уровней и остаточных затуханий для перечисленных режимов работы даны в табл. 4.
50
В каналах ТЧ стационарных систем передачи предусмотрены лишь два
режима работы: 4 ПР и 2ПР, соответствующие режимам 4 ПР ОК и 2 ПР ТР.
Таблица 4
Наименование
режима
4 ПР ОК
4 ПР ТР
2 ПР ОК
2 ПР ТР
Относительные уровни
передачи
дБ
- 13
4
0
- 3,5
Остаточное
затухание
приема
Нп
- 1,5
0,5
0
- 0,4
дБ
4
4
-7
- 3,5
Нп
0,5
0,5
- 0,8
- 0,4
дБ
- 17
0
7
0
Нп
-2
0
0,8
0
Цифровые каналы и групповые тракты. Цифровые системы передачи
строятся на основе цифровых групповых трактов, перечень которых, эквивалентные емкости и скорости передачи даны в табл. 5.
Эквивалентные емкости групповых трактов указаны для случая формирования каналов ТЧ на основе импульсно-кодовой модуляции; дельта-модуляция
увеличивает число каналов ТЧ в 1,2-2 раза. При помощи отдельных устройств
аналого-цифрового преобразования цифровые групповые тракты сопрягаются с
одноименными групповыми трактами систем с ЧРК (табл. 1), обеспечивая
транзит соответственно 12-, 60- и 300-канальных групп каналов ТЧ. В военнополевых ЦСП применяются также предгрупповые цифровые тракты со скоростями 240 и 480 кбит/с.
Таблица 5
Наименование
Эквивалентная
емкость, кан. ТЧ
Первичный цифровой групповой тракт
30
2048
Вторичный цифровой групповой тракт
120
8448
Третичный цифровой групповой тракт
480
34848
Скорость передачи,
кбит/с
Цифровые каналы в зависимости от скорости передачи подразделяются
на низкоскоростные, среднескоростные и высокоскоростные, а по точности соблюдения скорости передачи - на прозрачные асинхронные, асинхронные и
синхронные. Скорость передачи по прозрачному каналу может быть любой в
пределах от нуля до максимально допустимой. Относительное изменение скорости передачи по асинхронному каналу допускается около 10 -4. Скорость передачи синхронного канала жестко связана с тактовой частотой ЦСП.
Однако для создания каналов ТЧ обычно служат цифровые потоки 64
кбит/с.
Параметры цифровых каналов на стыке с соединительными линиями
стандартизованы в отношении вида импульсной последовательности, напряжений импульсов и нагрузок. Низкоскоростные цифровые каналы должны иметь
входное сопротивление 1000 Ом, выходное сопротивление не более 500 Ом,
сигналы должны представлять собой двухполюсные посылки с напряжением в
51
ветви передачи от 17 до 25 В на нагрузке 1000 Ом и с напряжением от 14 до 30
В на входе канала. Для среднескоростных каналов установлены другие параметры стыка: входное, выходное сопротивления и номинальные нагрузки 150
Ом, посылки двухполюсные с избыточным перекодированием в биимпульсный
сигнал, амплитуды напряжения импульсов при согласованных нагрузках 1 В на
передаче и не ниже 0,05 В на приеме.
Первичные сети связи
Для обеспечения абонентов основными видами электросвязи необходимы
телефонная сеть, телеграфная, сеть передачи данных и т. д. Однако совокупность таких сетей, построенных и эксплуатируемых независимо одна от другой,
при современных дальностях связи и объемах передаваемой информации получилась бы непомерно громоздкой и дорогой. Единственное приемлемое решение заключается в создании общей для всех видов связи сети типовых каналов
передачи и групповых трактов, охватывающей все пункты ввода и вывода информации и являющейся основой для телефонной, телеграфной и всех прочих
сетей. Исторически сложившийся данный принцип стал базой построения сетей
связи всех рангов: международных, национальных, ведомственных, в том числе
военных - стационарных и полевых. Отсюда же вытекают понятия о первичных
и вторичных сетях.
Первичной сетью называется совокупность сетевых узлов, сетевых
станций и соединяющих их линий передачи. На сетевых станциях формируются каналы передачи и групповые тракты, осуществляется их транзит в первичные сети низшего ранга и во вторичные сети. Сетевые узлы служат для транзитного соединения каналов передачи и групповых трактов, образованных на
примыкающих к узлу линиях передачи. Обычно сетевые станции содержат
также элементы сетевых узлов, отчасти выполняя их функции и наоборот.
Отметим, что в стационарных и в полевых сетях, наряду с первичной сетью общего назначения, применяются линии прямой связи между двумя определенными пунктами. Они менее экономичны, однако благодаря отсутствию
транзитов обеспечивают более высокую надежность и постоянную готовность.
Методология проектирования стационарных сетей связи основана на рациональном сочетании опыта существующих сетей, достижений теории и машинных методов анализа и синтеза. Особенность планирования полевых сетей
связи заключается в широком использовании типовых структур и схем, которые совершенствуются в соответствии с ростом требований управления и возможностей штатных средств связи. Однако во всех случаях действуют некоторые общие принципы построения сетей, установленные на основе научных исследований и богатой практики развития и эксплуатации сетей:
Сеть связи должна иметь иерархическую структуру, совпадающую со
структурой системы управления. Например, применительно к государственной
сети связи это означает необходимость учета административного деления территории страны (населенные пункты, районы, области, края, республики).
В сети связи все многоканальные средства должны использоваться совместно. Это достигается стандартизацией перечня и электрических параметров
52
каналов радиорелейных, тропосферных, проводных и спутниковых средств связи. Все виды связи должны обеспечиваться одной и той же первичной сетью,
на основе которой создаются все вторичные сети.
Критерием экономической эффективности при сравнении вариантов построения стационарной сети служат капитальные затраты на строительство и
годовые эксплуатационные расходы, отнесенные к одному канало-километру
линии. При этом оказывается, что стоимость строительства и эксплуатации
канало-километра линии обратно пропорциональна приблизительно корню
квадратному из числа каналов в пучке. С этих позиций в сети выгодны системы
передачи максимальной емкости, так как, например, увеличение числа каналов
вчетверо уменьшает стоимость канало-километра вдвое.
Увеличение канальной емкости линий уменьшает их общее число в сети,
но ведет к ухудшению надежности связи из-за сложности или невозможности
организации обходов при полном отказе по одной из линий.
Рис. 15
Наиболее экономична сеть радиальной структуры (рис. 15), в которой сетевые станции СС соединяются между собой через один сетевой узел СУ. Общая длина линий здесь минимальна, их емкость максимальна. Однако видно,
что надежность сети подобной структуры не может быть высокой. Структура
типа решетки (рис. 15, б) характеризуется высокой надежностью, но худшей
экономичностью. В практике чаще всего находят компромиссное решение в
виде сочетания радиальной и сетчатой структур.
8 ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ
Составной частью системы передачи является линия передачи, по которой распространяются электромагнитные сигналы. В зависимости от конкретных условий, в которых организуется связь, для передачи сигналов используют
проводные или радиолинии.
53
Медные кабельные линии
По проводным линиям электромагнитное поле распространяется вдоль
непрерывной направляющей среды. К ним относятся воздушные и кабельные
линии, волновые, световоды. По радиолиниям сообщения передаются посредством распространения электромагнитных волн в свободном пространстве.
Исторически первыми возникли и применяются до настоящего времени
воздушные линии (цепи). Воздушная цепь представляет собой пару изолированных металлических проводов, закрепленных на некотором расстоянии друг
от друга, в результате чего роль изолятора между проводами выполняет воздух.
Подвешиваются провода на деревянных или железобетонных опорах.
Недостатками воздушных цепей являются - значительное влияние климатических условий на устойчивость работы системы связи, высокий уровень помех (от высоковольтных линий, контактной сети электрифицированных железных дорог, радиостанций), малый диапазон частот.
Кабель связи представляет собой некоторое количество проводников,
изолированных друг от друга. В качестве изоляции используются кабельная
бумага или различные разновидности пластмасс. Для предохранения от проникновения влаги проводники заключаются в герметическую оболочку. Сверху
накладывают защитные покровы, предохраняющие кабель от механических повреждений.
Пара проводников образует электрическую цепь, по которой передается
сигнал. Переход от воздушной цепи к кабельной позволил существенно уменьшить влияние климатических условий на работу систем связи, снизить уровень
помех, расширить рабочий диапазон частот. Кабели подразделяются на подземные, подводные и подвесные.
Старейшие среди современных кабелей связи - городские телефонные кабели. Да и самой разветвленной кабельной сетью является городская телефонная сеть (не секрет, что большая часть телефонов находится у жителей городов).
Городские телефонные кабели бывают разные. Они могут содержать от
10 (такие кабели заводят в подъезды домов и подключают к распределительным коробкам, откуда телефонные провода тянутся в каждую квартиру) до 500,
1000 и даже 3000 пар проводов (а такие кабели используют для того, чтобы собрать воедино тянущиеся от жилых массивов к АТС более мелкие кабели).
Каждая жила кабеля изолируется кабельной бумагой или бумажной массой, получаемой из целлюлозы. Жилы скручиваются определенным образом вместе и
помещаются в прочную свинцовую оболочку. В последние годы, благодаря
успехам химии, на смену бумажной изоляции жил и свинцовой оболочке пришли различные пластмассы (полиэтилен, поливинилхлорид, фторопласт). Прокладываются городские телефонные кабели в подземной канализации в асбестоцементных трубах.
Для связи между городами выпускаются специальные междугородные
кабели (рис. 16) - симметричные и коаксиальные. В отличие от городских кабелей они содержат намного меньше пар проводов: не более одного-двух десятков. Лежат эти кабели прямо в земле. Для повышения механической прочности
54
междугородные кабели «одевают» в броневые покровы (обычно это стальные
бронеленты).
Рис. 16
Когда по проводнику протекает синусоидальный ток, вокруг движущихся
в металле электронов возникают электрическое и магнитное поля. Чтобы убедиться в существовании электрического поля, достаточно поместить вблизи
проводника пробный электрический заряд (например, заряженный листок или
бусинку). Если поле есть, то заряд сдвинется с места. Обнаружить магнитное
поле можно с помощью пробной магнитной стрелки: она будет поворачиваться.
Электрическое и магнитное поля часто рассматриваются вместе как единое
электромагнитное поле.
Попробуем увеличить частоту синусоидального тока в проводнике. Десятки герц... Сотни герц... Килогерцы... Сотни килогерц. Мы обнаруживаем
(естественно, с помощью приборов), что ток с ростом частоты все сильнее и
сильнее вытесняется из толщи проводника к его поверхности. Электромагнитное поле вне проводника возрастает, и вот на очень высоких частотах (превышающих сотни и даже тысячи мегагерц) ток полностью вытесняется из проводника. Проводник начинает излучать всю электромагнитную энергию в пространство. Передача ее по проводу прекратилась. Провод превратился в антенну!
Описанное явление - вытеснение тока к внешней поверхности проводника - получило у специалистов название поверхностного эффекта. Существует
довольно простое объяснение поверхностного эффекта (рис. 17).
55
Рис. 17
В 30-х годах XIX в. английский физик М. Фарадей (1791-1867) обнаружил, что в проводнике, помещенном в переменное магнитное поле, возникает
ток. Все дело в том, что наш проводник оказался помещенным в собственное
магнитное поле, и под его воздействием в толще проводника образовалось
множество замыкающихся по кольцу вихревых токов. У поверхности проводника эти токи направлены так же, как и основной ток, и поэтому увеличивают
его. В толще же проводника вихревые токи оказываются направленными против основного тока и, следовательно, уменьшают этот основной ток.
Мы рассмотрели один провод, тогда как для передачи сигналов используются два провода - прямой и обратный (чтобы цепь тока замкнулась). Каждый из проводов образует свое электромагнитное поле. Их взаимодействие дает
несколько более сложную картину поля, однако эффект излучения поля вне
проводов остается практически неизменным - с ростом частоты излучение увеличивается.
В городских телефонных кабелях под одной «крышей» - оболочкой - собрано большое число пар проводов. Представим себе, что цифровые сигналы
(импульсы) передаются только по одной паре проводов, по одной цепи (а по
другим парам в это время ничего не передается). Тем не менее, и в остальных
«нерабочих» парах можно зафиксировать те же самые сигналы. Правда, очень
слабые. И чем дальше «нерабочая» пара расположена от «рабочей», тем слабее
в ней сигналы. Однако чем выше скорость передачи импульсов, тем увереннее
мы будем регистрировать в «нерабочих» парах эти импульсы. Виной тому увеличивающееся на высоких частотах электромагнитное излучение. При большой
скорости передачи влияние одной цепи на другую может быть столь велико,
что когда по второй цепи будут передаваться «свои» сигналы, их будет очень
трудно отделить от «чужих».
Вот эти-то взаимные влияния между цепями и не дают возможности беспредельно увеличивать скорость передачи импульсов по городским телефонным кабелям. Практически она 2 Мбит/с. Отсюда вывод: такие кабели не позволяют обмениваться видеопрограммами, ведь при передачи подвижного изображения биты «мчатся» со скоростью в 50 раз большей.
Иное дело междугородный коаксиальный кабель! Один проводник коаксиальной пары - обычный сплошной провод, а другой (по которому ток «воз56
вращается» обратно) - полый медный цилиндр (рис. 18). Сплошной проводник
помещен внутрь полого. Отсюда и название - коаксиальная пара, что означает
имеющая общую ось (coaxis - соосный). Чтобы строго выдержать соосность
проводников, пространство между ними заполняют изолирующим материалом
(сплошным полиэтиленом, полиэтиленовыми шайбами и т.п.). Придумал такую
конструкцию пары проводников еще в 1912 г. профессор Петербургского электротехнического института П.Д. Войнаровский (1886-1913), а использовать ее в
кабелях связи предложил в 1934 г. американский изобретатель С.А. Щелкунов.
Коаксиальная пара - это поистине замечательное изобретение! Она не излучает электромагнитную энергию в пространство, а, следовательно, не будет
влиять на соседние цепи связи. Это имеет принципиально важное значение, поскольку позволяет повысить скорость передачи цифр.
Рис. 18
Ток во внутреннем проводнике с ростом частоты также вытесняется на
его поверхность. Этот процесс не отличается от описанного выше. Магнитное
поле внутреннего проводника наводит в металлической толще внешнего проводника вихревые токи. На наружной стороне полого проводника, эти вихревые
токи направлены против основного тока («срабатывает» знакомое из школьного
курса правило буравчика) и тем самым уменьшают, ослабляют его. Таким образом, ток в полом цилиндре вытесняется не наружу, а внутрь коаксиальной пары. Этот эффект ученые назвали эффектом близости. Он-то и является причиной, по которой электромагнитное поле концентрируется внутри коаксиальной
пары и не излучается вне ее.
С ростом частоты действие эффекта близости увеличивается и поле все
сильнее и сильнее концентрируется между внутренним и внешним проводниками. Именно поэтому по коаксиальным парам потоки информации могут
«нестись» с колоссальной скоростью превышающей сотни миллионов бит в секунду.
Междугородные симметричные кабели имеют такую же конструкцию
пар, как и городские телефонные (два скрученных, изолированных проводника). Однако за счет небольшого количества пар и более тщательной их изоляции удается ослабить влияние между цепями и повысить тем самым скорость
цифрового потока. По междугородным кабелям связи цифры передаются со
скоростью порядка 8 Мбит/с.
57
Радиолинии
Что представляет собой радиоволна? Обратимся к проводнику, по которому протекает ток, изменяющийся во времени подобно синусоиде. Вокруг
проводника с током создается переменное магнитное поле. Его интенсивность в
каждой точке пространства будет меняться по такому же закону синусоиды.
Переменное магнитное поле рождает в пустом пространстве переменное электрическое поле (тоже меняющееся в каждой точке пространства по синусоидальному закону). Обнаружить это поле можно с помощью другого проводника: электроны в нем придут в движение, появится переменный синусоидальный
ток. В свою очередь меняющееся электрическое поле вновь рождает магнитное
поле, а оно - электрическое и т.д. Причем возникающие электрические и магнитные поля, распространяясь, охватывают все новые и новые области пространства. Чем дальше расположена точка пространства от проводника с током,
тем позднее достигнут ее колебания полей.
Взаимодействие электрического и магнитного полей не есть нечто
обособленное, независимое друг от друга. Оно - проявление единого целого,
которое носит название электромагнитного поля.
В физике изменяющееся во времени, т.е. движущееся, пространственное
чередование максимумов и минимумов любой физической величины называется волной. Волны мы наблюдаем при бросании камешков в воду. Волну можно
пустить по натянутой веревке. Звуковые волны испускает колеблющаяся струна. Распространяющееся в пространстве электромагнитное поле образует электромагнитную волну.
Самые разные по своей природе волны имеют одну и ту же общую характеристику - длину волны. Пояснить ее можно на простом и знакомом примере
движения волны на поверхности воды. Длина волны - это расстояние между соседними гребнями. Время, за которое один гребень сменяет другой, составляет
период колебания волны Т. Если знать скорость с, с какой происходит эта смена, то легко вычислить расстояние между гребнями, т.е. длину волны, как произведение скорости на время:  = сТ. Величина, обратная периоду колебания
волны, - это частота колебания f = 1/Т. Поэтому  = с /f.
Скорость распространения электромагнитной волны равна скорости света
с = 300000 км/с. Следовательно, ток, колеблющийся с частотой, например:
300000 Гц, создает электромагнитную волну длиной 1 км, а с частотой
300000000 Гц - 1 м.
В диапазоне радиоволн - ультракоротковолновом - размещаются волны
длиной от 10 м до 0,3 мм. Это очень широкий диапазон. Поэтому ультракороткие волны подразделяют на метровые, деци-, санти- и миллиметровые. Первые
из них занимают частоты 30...300 МГц, а последние - частоты 30000...1000000
МГц. Для таких сверхвысоких частот (принято сокращение СВЧ) введены специальные обозначения: гигагерцем (ГГц) называют каждую тысячу мегагерц, а
терагерцем (ТГц) - каждую тысячу гигагерц. Таким образом, миллиметровым
волнам соответствуют частоты 30 ГГц...1 ТГц.
Ультракороткие волны не отражаются от ионосферы и почти не поглощаются ею. Они ведут себя подобно лучам света: пронизывают ионосферу и
58
уходят в космос. В атмосфере Земли существует всего два «окна». Одно из них
- в области видимого света. Им человечество пользуется уже тысячи лет, изучая
звезды в телескоп. Второе - «радиоокно» в области УКВ. Оно обнаружено
только в XX в. благодаря развитию техники радиосвязи. Именно с помощью
этого «окна» осуществляется связь с космическими кораблями.
Из-за «прямолинейного» характера распространения ультракоротких
волн связь на них возможна только до тех пор, пока антенна приемника «видит» антенну передатчика. Если на пути волны встречается препятствие (высокий дом, гора, лес), то связь становится невозможной.
Системы вещания - радио- и телевизионного - служат для доставки информации от одного ее источника к большому числу потребителей. В системах
же связи информацию нужно доставлять от каждого конкретного источника к
каждому конкретному потребителю. Подходят ли для этого радиоволны? Ведь
их можно принять в любой точке земного шара.
Вывод один: энергия радиоволн не должна рассеиваться в пространстве,
ее нужно сконцентрировать в очень узкий луч. Однако хорошо концентрирует
энергию только антенны достаточно больших по сравнению с длиной волны
размеров. Это напоминает оптику, где размеры зеркал и линз во много раз превышают длину световой волны.
Вот еще одно неоспоримое преимущество ультракоротких волн: для них
легко сделать не очень большие и исключительно направленные антенны, которые, условно говоря, фокусируют, «собирают» волну.
Вы обращали внимание, как концентрируется луч света в электрическом
фонарике? Лампочка помещается в фокусе зеркального отражателя. Подобно
этому рупор, излучающий электромагнитную волну, помещают в фокусе параболической антенны (рис. 19). Она как рефлектор собирает электромагнитные
волны в узкий параллельный пучок лучей и направляет его на приемную антенну. Принимаемые волны в свою очередь «стягиваются» металлическим зеркалом приемной антенны на рупор и через рупор и волновод направляются к приемнику.
Рис. 19
Итак, уже не трудно представить себе основные контуры радиолинии, работающей на УКВ. Передатчик, в основе его лежит специальный квантовый генератор, использующий внутреннюю энергию атомов, вырабатывает СВЧколебания, которые по волноводу передаются в антенну. Посылаемый в эфир
радиолуч достигает приемной антенны и по волноводному тракту добирается
до приемника. А не мало ли это - всего один луч между двумя пунктами? Ведь
тот же коаксиальный кабель содержит несколько коаксиальных пар, и по каж59
дой из них можно передавать цифровые потоки с огромными скоростями - сотни мегабит в секунду. Следует заметить, что «пропускная способность» у УКВлуча во много раз больше, чем у коаксиальной пары. Скорость цифрового потока, как вы помните, зависит от частотного диапазона, в котором работает линия
связи. А у радиолинии на УКВ он значительно шире, значит, эти волны могут
перенести как мощные «тяжеловозы» большее количество бит в одну секунду свыше тысячи мегабит.
Что же касается увеличения числа лучей, то делают так: несколько передатчиков, генерирующих волны различных длин, заставляют работать на общую антенну. Антенна, таким образом, излучает одновременно несколько лучей с различными длинами волн. В приемной антенне каждая волна отфильтровывается и точно в соответствии со своей длиной поступает в свой приемник.
Говорят, что каждый такой луч образует ствол радиолинии. Обычно число
стволов не превышает 4-5.
В 1935 г. между Нью-Йорком и Филадельфией вступила в строй радиолиния на ультракоротких волнах. Она имела протяженность 150 км. Чтобы
перекрыть это расстояние, через 50 и 100 км были построены две промежуточные «релейные» станции, которые принимали ослабленные радиоволны, «заменяли» их новыми и посылали дальше. Сама радиолиния была названа радиорелейной. Первая радиорелейная линия в нашей стране была построена в 1953 г.
между Москвой и Рязанью. Однако еще в начале 30-х годов советские инженеры М.И. Греков и В.М. Большеверов провели опыты по направленной радиосвязи на дециметровых волнах между Москвой и Люберцами.
Рис. 20
Современная радиорелейная линия (РРЛ) состоит из двух основных и цепочки промежуточных радиорелейных станций (рис. 20). Каждая станция - это
приемник, передатчик и высокая мачта (или башня) с антеннами. Для мачт выбирают возвышенные участки местности. С каждой из них видны две соседние
мачты. Расстояние между промежуточными станциями обычно составляет
40...70 км. Протяженность линии может быть несколько тысяч километров. Радиоволны узким направленным лучом идут от одной станции к другой, принимаются там приемником, усиливаются передатчиком и отправляются к следующей станции.
60
Разновидностью радиорелейных линий являются спутниковые линии передачи, в которых роль ретранслятора выполняет не наземная промежуточная
станция, а спутник связи (точнее, приемопередающий ретранслятор, помещенный на нем). На земле строятся оконечные станции с параболическими антеннами и устройствами наведения на антенну спутника (рис. 21).
Рис. 21
Спутниковые линии передачи являются широкополосными. Спутниковые
системы позволяют передавать телевизионные программы в отдаленные районы страны значительно дешевле, чем по наземным радиорелейным или кабельным линиям, а также организовать связь с труднодоступными районами, к которым протягивать наземные линии сложно и дорого, а иногда и просто невозможно. Кроме описанных, существуют и другие радиолинии (например, тропосферные, метеорные и др.).
9 ПРИНЦИПЫ ОБЪЕДИНЕНИЯ И РАЗДЕЛЕНИЯ КАНАЛОВ
В МНОГОКАНАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ
С ЧАСТОТНЫМ И ВРЕМЕННЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ
В МКСП с ЧРК исходным сигналам разных каналов в линейных трактах
отводятся определённые полосы частот. Общая ширина полосы частот линейного тракта определяется способом формирования канальных сигналов и числом каналов. Для более эффективного использования дорогостоящих сооружений, желательно в определённой полосе частот образовать как можно больше
каналов, а следовательно, спектр канального сигнала должен быть как можно
уже. При этом желательно также, чтобы мощность передаваемых сигналов была минимальна. Известно, что самый узкий спектр и минимальную мощность
канального сигнала можно получить при использовании амплитудной модуляции и передаче в линию только одной боковой полосы частот. Поэтому в системах передачи с ЧРК в подавляющем большинстве случаев используется метод передачи одной боковой полосы частот (ОБП).
61
Принцип группообразования в МКСП с ЧРК
Групповой сигнал, казалось бы, наиболее просто сформулировать путем
непосредственно объединения нужного количества канальных сигналов, преобразованных таким образом, чтобы получить требуемый линейный спектр системы передачи. Однако при детальном рассмотрении можно сделать вывод,
что многоканальная система передачи, построенная таким образом, оказалась
бы чрезмерно сложной и дорогой, а при большом числе каналов реализация подобной системы была бы невозможной.
При непосредственном формировании линейного спектра из боковых полос, соответствующих каждому канальному сигналу, групповой сигнал занимал
бы полосу частот равную F  4n кГц, где n - число каналов передачи. Поскольку в современных системах передачи число каналов может исчисляться
тысячами, то и ширина полосы составила бы несколько мегагерц Очевидно, что
все преобразователи и фильтры были бы различны по схеме и конструкции. Таким образом, при непосредственном формировании линейного спектра КОА
имела бы чрезмерно сложную конструкцию, была бы необходимость иметь
огромное число различных несущих частот (по числу каналов системы), а, следовательно, и фильтров. Наконец, возникли бы серьезные затруднения организационно- технического и эксплуатационного характера по созданию групповых трактов и широкополосных каналов.
Для устранения отмеченных недостатков и технических трудностей применяют принцип многоступенчатого формирования многоканальных групп путем последовательного объединения групповых спектров.
При этом частотные диапазоны, отводимые для каждой группы, и число
каналов в группах не связаны с линейным спектром системы и могут быть выбраны оптимально. Принцип формирования групповых сигналов в общем виде
показан на рис. 22.
1
1
2
2
3
0,3...3,4
ИО-3
3
4
12...24
Аппара
тура
преобра
зования
пред.
групп
12 к
1
1
2
3
4
5
2
60...108
АП
первич
ных
групп
60
3
4
5
1
АП
вторич
ных
групп
312...552
300
2
3
АП
третич
ных
групп
812...2044
Рис. 22
Вначале формируется некоторая исходная группа, содержащая три канальных однополосных сигнала. В дальнейшем такая группа подвергается
групповому преобразованию и в результате после объединения формируется
группа, содержащая 12 канальных сигналов
62
Далее полученные указанным путем группы подвергаются групповому
преобразованию в следующей ступени, и после объединения формируется
группа, содержащая 60 канальных сигналов.
Таким образом, применяя несколько ступеней преобразования, формируют последовательно некоторое количество групповых сигналов, вплоть до
получения группового линейного сигнала, обеспечивающего передачу канальных сигналов системы передачи.
При построении современной каналообразующей аппаратуры по рекомендации МККТТ принято следующее группообразование. В качестве первичной группы используется 12 канальная группа. Вторичная группа формируется
путём объединения 5-ти первичных, третичная - пяти вторичных, четвертичная
- трех третичных групп.
Совокупность оборудования всех групп называется типовой образовательной аппаратурой, назначение которой заключается в преобразовании исходных сигналов, занимающих полосу 0,3-3,4 кГц в групповой сигнал одной из
типовых групп.
В состав КОА входит также часть устройств, относящихся к линейному
тракту и называемых оконечной аппаратурой линейного тракта (ОАЛТ). Она
предназначена для обеспечения необходимого усиления линейного сигнала,
корректирования и регулирования частотных характеристик трактов, обеспечения дистанционного электропитания НУП, телеконтроля, сигнализации и служебной связи.
Типовое оборудование преобразования состоит из аппаратуры канального преобразования (ИО) и аппаратуры преобразования типовых первичных,
вторичных и третичных групп.
К аппаратуре канального преобразования относят совокупность
устройств, обеспечивающих преобразования полос частот 12 каналов тональной частоты в полосу частот основной первичной группы и обратное преобразование.
Рассмотренный принцип построения КОА МКСП не только облегчает реализации фильтров и обеспечивает унификацию преобразовательного и генераторного оборудования, но и позволяет создавать типовые групповые и сетевые
тракты и соответствующие им широкополосные каналы.
Преобразование спектра частот на выходе типовой преобразовательной
аппаратуры в определённой для системы передачи линейный спектр осуществляет аппаратура сопряжения.
Приведем пример линейных спектров группового многоканального сигнала различных проводных аналоговых систем передачи: система К-60П имеет
линейный спектр 12…252 кГц, К-300 – 60...1300 кГц, К-1020С – 312...4636 кГц,
К-1920П – 312...8524 кГц, К-3600 – 812...17596 кГц, К-10800 – 4332...59684 кГц.
Принцип временного объединения и разделения цифровых каналов
в МКСП
Системы передачи с ВРК обладают рядом достоинств по сравнению с системами ЧРК и поэтому наиболее перспективны. Отличительным признаком
63
канальных сигналов в системах передачи с ВРК являются различные временные интервалы, которые занимают эти сигналы, т.е. линейный тракт представляется поочередно каждому из каналов на некоторый промежуток времени.
Таким образом, в системах передачи с ВРК первичные информационные
сигналы передаются периодическими кратковременными импульсами, а канальные сигналы представляют собой импульсную последовательность, модулированную по какому-либо параметру, который изменяется в соответствии с
мгновенными значениями напряжения первичного информационного сигнала в
выбранные моменты времени.
Импульсная последовательность характеризуется такими параметрами:
амплитуда, фаза (временное положение), частота следования и длительность
импульсов. В связи с этим различают амплитудно-импульсную (АИМ), фазоимпульсную (ФИМ), частотно-импульсную (ЧИМ) и широтно-импульсную
(ШИМ) модуляции, при которых пропорционально отсчету первичного информационного сигнала изменяется соответственно амплитуда, временное положение, частота следования, длительность импульсов.
Принцип ВРК легко уяснить по упрощённой структурной схеме системы
передачи с ВРК (рис. 23). Для упрощения рассматривается система с использованием АИМ. Первичные информационные сигналы Сi(t) поступают на систему
электронных ключей (ЭКi), которые управляются кратковременными импульсами  i (t ) , длительностью (  ), получаемыми от генераторного оборудования
(ГИ). Последовательности импульсов, управляющих работой каждого из электронных ключей (ЭКi), сдвинуты одна относительно другой на некоторый отрезок времени (  ) . Таким образом, электронные ключи открываются поочередно, причем в какой-либо момент времени может быть открыт лишь один ключ.
Синхронно и синфазно с электронными ключами передающей части системы работают электронные ключи приемной части. Они управляются импульсными последовательностями i (t) генераторного оборудования, которое
синхронизировано с ГИ с помощью специального синхросигнала (СС). Таким
образом, в некоторый момент времени могут быть открытыми одновременно
электронные ключи передачи и приема, например, только первого канала, электронные ключи всех остальных каналов закрыты. При этом имеется путь для
прохождения лишь сигнала С1(t). В следующий момент времени, через интервал  , откроются ключи КЭ2 и КЭ'2 и так последовательно, вплоть до ключей
КЭn и КЭ'n.
В дальнейшем процесс повторяется через промежуток Тд, называемый
периодом следования.
64
С1 ( t )
С2 ( t )
ФНЧ
ФНЧ
ЭК1
S1 (t , t1 )
ЭК1
S2 (t , t2 )
ЭК2
УО
О
1 ( t ) 2 (t )
Сn ( t )
S
ЛТ
S
У
Р
Sn (t , tn )
ФНЧ
ЭКn
ГО
~
S2 (t , t2 )
ФНЧ
ЭК2
~
1 (t )
ФНЧ
С1 ( t )
С2 (t )
~
2 (t )
~
Sn (t , tn )
ЭКn
3 (t )
ГИ
~
S1 (t , t1 )
ФНЧ
Сn ( t )
~
n (t )
CC
CC
ГО
Рис. 23
Непрерывные сигналы (аналоговые) в системах передачи с ВРК вначале
подвергаются дискретизации во времени, а затем их значения (отсчеты) передаются по тракту. Преобразование непрерывных сигналов в периодическую последовательность дискретных значений базируется по теореме Котельникова.
Теорема Котельникова: Любую непрерывную функцию времени С(t) с
ограниченным спектром можно представить в виде последовательности импульсов, следующих с периодом дискретизации не превышающим величины Тд
<
1
, где Fв - верхняя граница спектра непрерывного сигнала.
2 Fв
Интервал времени между соседними отсчетами при равномерной дискретизации называют периодом дискретизации Тд, а число отсчетов за единицу
времени - частотой дискретизации fд. Реально отсчеты берутся не в бесконечно
малые интервалы времени, а в течение действия кратковременных импульсов с
длительностью .
В соответствии с теоремой Котельникова для передачи речевого сигнала
в диапазоне 0,3...3,4 кГц необходимо брать отсчеты с частотой дискретизации
fд=2×3,4 кГц. Обычно принимают fд=8 кГц, а период дискретизации Тд =
1
fД
=
125 мкс.
Таким образом, необходимо, чтобы период следования циклов импульсов
i(t) управляющих работой электронных ключей был равен найденному периоду дискретизации аналогового сигнала Тд.
Рассмотренный принцип ВРК с АИМ отличается простотой реализации
оконечных передающих и приемных устройств, однако ранее перечисленные
методы модуляции импульсов АИМ, ФИМ, ЧИМ, ШИМ не обеспечивают достаточно высокую помехозащищенность, поэтому в системах передачи по проводным линиям эти методы модуляции импульсов применения не находят. В
чистом виде принцип ВРК реализован в РРС Р-414. В проводных МКСП данный принцип реализуется только как одна из ступеней преобразования аналогового сигнала в цифровой, а затем используются цифровые методы модуля65
ции, например: ИКМ – в основном в ЕСЭ РФ; ДМ - в ЦСП полевых первичных
сетей связи.
10 ПЛЕЗИОХРОННАЯ ЦИФРОВАЯ ИЕРАРХИЯ
Цифровые системы передачи создают во всем мире; коммуникации связи
не знают государственных границ. Каждая страна должна выпускать аппаратуру, согласовывая ее со стандартами, принятыми в других странах. Государства
должны договориться, на каких принципах строить аппаратуру. С этой целью
создан межгосударственный орган - Международный союз электросвязи
(МСЭ). Он рекомендует строить цифровые системы передачи по иерархическому принципу.
Иерархия скоростей ПЦИ
В настоящее время в мире применяются три различных способа побитного группирования (мультиплексирования) цифровых потоков в более высокоскоростной групповой сигнал. Данные способы формирования группового сигнала носят название плезиохронная цифровая иерархия (РDН). К ним относятся: 1) европейская иерархия СЕРТ; 2) северо-американская иерархия; 3)
японская иерархия.
Европейская иерархия основывается на первичной ЦСП типа
ИКМ-30, в которой с помощью аналого-цифрового оборудования образуется 30
каналов с пропускной способностью 64 кбит/с каждый. Скорость передачи
группового сигнала составляет 2048 кбит/с. При формировании групповых сигналов более высокого уровня используется временное объединение (группообразование) цифровых потоков, сформированных в оборудовании ЦСП более
низкого уровня. Коэффициент объединения всех ступеней иерархии принят
равным четырем.
На рис. 24 показан порядок построения цифровых систем передачи Европейской иерархии.
Рис. 24
66
Северо-американская иерархия (рис. 25) предполагает использование в
качестве первичной цифровой системы передачи ЦСП на 24 канала - ИКМ-24.
Коэффициенты объединения на всех ступенях иерархии различны.
Рис. 25
Практическое применение нашел и японский вариант иерархии, совпадающий на первых двух уровнях с Северо-американским стандартом.
Соответствие скорости передачи сигналов уровню иерархии для различных вариантов систем передачи представлено в табл.6.
Таблица 6
Уровни цифровой
иерархии
0
1
2
3
4
Европейский
стандарт,
кбит/с
64
2048
8448
34368
139264
Североамериканский
стандарт, кбит/с
64
1544
6312
44736
Японский стандарт,
кбит/с
64
1544
6312
32064
97728
Все варианты плезиохронной цифровой иерархии предполагают при временном группообразовании использование асинхронных методов объединения
цифровых сигналов, скорости которых могут незначительно отличаться друг от
друга.
В ЦСП военного назначения создаются цифровые каналы и тракты со
скоростями 1,2; 2,4; 4,8; 9,6; 16; 32; 48; 480, 2048 и 8448 кбит/с.
В процессе эксплуатации плезиохронных ЦСП выявлены следующие недостатки:
а) невозможность совместной работы ЦСП плезиохронной цифровой
иерархии разных стран изготовителей между собой;
б) нарушение синхронизма в групповом сигнале ЦСП более высокого
уровня приводит к нарушению синхронизма во всех ЦСП более низкого уровня;
в) в трактах ПЦИ затруднён доступ к субпотокам. Для вывода и ввода
субпотоков в промежуточных пунктах требуется переформирование группового сигнала;
67
г) необходимость выравнивания скоростей различных потоков приводит
к громоздким и малонадежным техническим решениям;
д) невозможность выделения любого канала или субпотока без предварительного разделения, что требует использования дополнительного оборудования.
Указанные недостатки позволяет устранить использование на сети связи
ЦСП синхронной цифровой иерархии (SDH).
Цифровые линейные тракты и стыки
Цифровой линейный тракт (ЦЛТ) представляет собой совокупность технических средств, обеспечивающих передачу цифровых сигналов в пределах
данной цифровой системы передачи (ЦСП). В зависимости от среды распространения ЦЛТ может быть кабельным, радиорелейным, спутниковым, световодным и т. д.
Современные кабельные ЦЛТ являются четырехпроводными, одно- или
двухкабельными и строятся на основе симметричных или коаксиальных кабелей. Общая структурная схема ЦСП для одного направления передачи представлена на рис. 26.
Рис. 26
Многоканальный цифровой сигнал формируется с помощью устройств
объединения УО из цифровых потоков первичных систем ПC 1...ПСn. Для обеспечения передачи аналоговых сигналов в оборудовании оконечных пунктов
ОП-1 и ОП-2 предусмотрены соответствующие устройства аналого-цифрового
преобразования - аналого-цифровое оборудование АЦО. Цифровой линейный
тракт начинается и оканчивается оконечной аппаратурой линейного тракта
ОАЛТ (ООЛТ), где осуществляется преобразование двоичного кода в линейный код, вводятся сигналы цикловой синхронизации и т. п. Цифровой линейный тракт разбивается на участки регенерации (регенерационные участки), на
стыках которых устанавливаются регенераторы, размещаемые в необслуживае68
мых (НРП) и обслуживаемых (ОРП) регенерационных пунктах. Регенераторы
предназначены для восстановления с заданной точностью амплитуды, формы и
временного положения импульсов цифрового сигнала, искаженного за счет помех и переходных процессов на участке регенерации. Обслуживаемый регенерационный пункт обеспечивает дистанционным электропитанием необслуживаемые, осуществляет телеконтроль участков регенерации и НРП, а также при
необходимости - выделение и ввод цифровых групповых сигналов. Длина
участка регенерации обозначается lру, а расстояние между соседними ОРП
называется секцией дистанционного питания и обозначается LДП, максимальная
протяженность ЦЛТ обозначается Lm.
К оперативно-техническим параметрам, характеризующим ЦЛТ и
цифровую систему передачи в целом, относятся, в первую очередь, максимальная дальность связи, скорость передачи, достоверность и надежность.
Под максимальной дальностью Lm понимается протяженность ЦЛТ, при
которой с достаточной вероятностью гарантируется выполнение норм на качество каналов связи. Скорость передачи определяется назначением данной конкретной ЦСП и выбирается в соответствии с существующей иерархией цифровых систем. В стационарных ЦСП скорость передачи условно определяют числом эквивалентных каналов ТЧ (например, система ИКМ-120: скорость передачи 8,448 Мбит/с, 120 каналов ТЧ). Достоверность передачи по ЦЛТ оценивается
вероятностью ошибки рош лт, представляющей собой отношение числа ошибочно зарегистрированных символов к общему их числу, переданному за относительно большой промежуток времени. Надежность ЦЛТ характеризуется обычно средним временем наработки на отказ и средним временем восстановления.
Перечисленные оперативно-технические параметры являются, как правило, заданными и должны быть обеспечены в процессе разработки ЦСП при
наилучших военно-технико-экономических (технико-экономических) показателях. Эти показатели характеризуют численность обслуживающего персонала
(количество ОРП), общее количество, габариты и массу электронного оборудования (НРП, ОРП) и свойства кабеля (электрические параметры, габариты, массу).
Наконец, к чисто электрическим параметрам ЦЛТ относятся вид линейного кода и тактовая частота, вероятность ошибки одиночного регенератора, амплитуда импульсов на передаче, ток и напряжение дистанционного питания.
Вероятность ошибки каждого i-ro регенератора рош i обычно достаточно
мала, поэтому можно считать, что вероятность ошибки цифрового линейного
N
тракта рош ЛТ   pош i , где N - число регенераторов, равное числу участков регеi 1
нерации.
Таким образом, в ЦЛТ происходит суммирование вероятностей ошибок
отдельных регенераторов, подобно тому, как в линейных трактах систем передачи с ЧРК суммируются мощности помех.
Если все регенераторы ЦЛТ одинаковы, то
рош ЛТ  N  pош1 .
(1)
69
Здесь рош 1 - вероятность ошибки одиночного регенератора. Учитывая, что
N=Lт/lpy, из вышеприведенной формулы получаем получаем: рош ЛТ / Lm  pош1 / l ру .
Левая часть представляет собой вероятность ошибки ЦЛТ, отнесенную к одному километру его длины, и является аналогом удельной мощности шума систем
с ЧРК (пВт0/км). В современных ЦЛТ рош ЛТ / Lm имеет порядок 10-10 км-1. Выбрав норму рош ЛТ / Lm , можно найти допустимую вероятность ошибки одиночного регенератора, которая не должна превышать значения рош1  ( рош ЛТ / Lm )  l ру .
Отметим, что при телефонной связи ошибки в регистрации импульсов
приводят к слышимым шумам, мощность которых пропорциональна вероятности ошибки ЦЛТ: рош  С  рош ЛТ , где С – коэффициент пропорциональности. Используя (1), находим рош  С  ( Lm / l ру )  рош1 , т.е. в телефонных каналах ЦСП, как и
в системах с ЧРК., шумы пропорциональны дальности связи.
Скорости передачи (тактовые частоты) современных ЦСП стандартизованы. Однако двухуровневый двоичный код, при помощи которого производится формирование многоканального сигнала в каналообразующей аппаратуре, не является вполне пригодным для ЦЛТ и поэтому подвергается преобразованию перед вводом в линейный тракт. По этой причине вид кода и тактовая
частота ЦЛТ обычно отличаются от кода и тактовой частоты ЦСП. Вид кода,
амплитуда импульса и длина участка регенерации существенно влияют на вероятность ошибки регенератора и ЦЛТ в целом.
Типовым цифровым каналом передачи и групповым трактам должны соответствовать следующие стыки: стык ОЦК; первичный стык; вторичный стык;
третичный стык; четверичный стык. На стыках ОЦК осуществляют обмен тремя видами синфазных сигналов: информационными сигналами (ИС), тактовыми сигналами (ТС) и октетными сигналами (ОС) в соответствующих сочетаниях для конкретных схем включения. На первичном, вторичном, третичном и
четверичном стыках осуществляют обмен синфазными ИС и ТС.
В качестве стыковых сигналов используют следующие: модификации
сигнала AMI (alternation mark inversion) для стыков ОЦК; сигнал HDB-3 (High
density bipolar) для первичного, вторичного и третичного стыков; сигнал CMI
(Coding mark inversion) для четверичного стыка.
Параметры стыков
Стык ОЦК предназначен для обмена следующими синфазными сигналами: ИС со скоростью передачи 64 кбит/с; ТС частотой 64 кГц; ОС частотой 8
кГц.
Сонаправленный стык ОЦК. При сонаправленном стыке ОЦК ТС и ОС
передаются совместно с ИС в одном направлении с ним (рис. 27). Сонаправленный стык может применяться при любых соединениях ОЦК.
70
Рис. 27
Противонаправленный стык ОЦК. При противонаправленном стыке ОЦК
ТС и ОС передаются отдельно от ИС, причем ИС передается в обоих направлениях, а ТС и ОС - всегда от ведущей (управляющей) аппаратуры к ведомой
(управляемой) (рис. 28).
Рис. 28
Противонаправленный стык может применяться для подключения на
окончаниях ОЦК источников и приемников сигналов аппаратуры вторичных
сетей и аппаратуры потребителей.
Первичный стык предназначен для обмена следующими синфазными
сигналами: ИС со скоростью передачи 2048 кбит/с; ТС с частотой 2048 кГц.
Вторичный стык предназначен для обмена следующими синфазными
сигналами: ИС со скоростью передачи 8448 кбит/с; ТС с частотой 8448 кГц.
Третичный стык предназначен для обмена следующими синфазными
сигналами: ИС со скоростью передачи 34368 кбит/с; ТС с частотой 34368 кГц.
На первичном, вторичном и третичном стыках используется сигнал HDB3
(high density bipolar):
Четверичный стык предназначен для обмена следующими синфазными
сигналами: ИС со скоростью передачи 139264 кбит/с; ТС с частотой 139264
кГц. На четверичном стыке используют сигнал CMI (coded mark inversion).
71
11 СИНХРОННАЯ ЦИФРОВАЯ ИЕРАРХИЯ
Проведенный анализ построения и эксплуатации цифровых первичных сетей связи (ЦПСС) с использованием существующих цифровых и волоконнооптических систем передачи (ВОСП) показал, что на современном этапе возникают трудности в развитии цифровых систем передачи. Возникает необходимость в разработке новых ЦСП, позволяющих строить ЦПСС с учетом современных требований. Одним из направлений развития является использование
для построения ЦПСС цифровых систем передачи синхронной цифровой
иерархии (СЦИ).
Синхронный транспортный модуль
Формирование синхронных транспортных модулей начинается с формирования контейнеров из входных сигналов ПЦИ, которое заключается в выполнении двух операций: 1) согласования скоростей передачи входного сигнала
ПЦИ и оборудования ЦСП СЦИ; 2) деления непрерывной цифровой последовательности на временные отрезки (кадры) фиксированной длительности. Длительность каждого контейнера составляет 125 мкс.
Первая цифра в обозначении контейнера означает уровень входного сигнала в ПЦИ, а вторая цифра - скорость передачи на этом уровне:
С-11 - для сигнала со скоростью передачи 1,5 Мбит/с;
С-12 - для сигнала со скоростью передачи 2 Мбит/с;
С-21 - для сигнала со скоростью передачи 6 Мбит/с;
С-22 - для сигнала со скоростью передачи 8 Мбит/с;
С-31 - для сигнала со скоростью передачи 34 Мбит/с;
С-32 - для сигнала со скоростью передачи 45 Мбит/с;
С-4 - для сигнала со скоростью передачи 140 Мбит/с.
Таким образом, контейнер - это циклическая структура длительностью
125 мкс, содержащая байты входного информационного сигнала, команду согласования скоростей, согласующие и свободные символы.
Затем формируется виртуальный контейнер. Виртуальный контейнер
(VC) формируется путем добавления к контейнеру (C) трактового заголовка
(Path OverHead  POH): VC = C + POH. Трактовый заголовок (РОН) предназначен для контроля правильности соединения передающего и приемного оборудования; контроля достоверности передачи; указания о содержании данного
виртуального контейнера; сигнализации аварийных состояний и других функций.
В системах передачи СЦИ выделяют две группы виртуальных контейнеров: верхнего ранга и нижнего ранга. К виртуальным контейнерам верхнего
ранга относятся виртуальные контейнеры, образованные из контейнеров С3
или С4. Они обозначаются VC3 и VC4 соответственно. К виртуальным контейнерам нижнего ранга относят виртуальные контейнеры, образованные из
контейнеров С11, С12 или С2, а также из сигналов с неиерархическими
скоростями. Они обозначаются VC11, VC12 и VC2 соответственно.
72
Таким образом, виртуальный контейнер  это блочная циклическая
структура, начало которой определяется заголовком тракта (POH). Длительность цикла виртуального контейнера зависит от его ранга. Виртуальные контейнеры верхнего ранга (VC3, VC4) имеют длительность цикла, равную
125 мкс. Виртуальные контейнеры нижнего ранга (VC11, VC12, VC2) используют сверхцикл в 500 мкс, т.е. включают в себя четыре контейнера и POH.
На рис. 29 приведены структуры виртуальных контейнеров.
После формирования виртуальных контейнеров формируют субблоки и
административные блоки.
б)
а)
VC - 4
VC - 4
РОН
1 стр
1
9стр
228
8
С-4
РОН
С-4
26
1
1
8
5
234
9
68
1
76
5
Рис. 29
Субблок (TU)  это информационная структура, образуемая добавлением
субблочного указателя (Tributary Unit Pointer - TU PTR) к виртуальному контейнеру низшего ранга VC-n: TU-n = VC-n + TU-n PTR.
Указатель (TU-n PTR) выполняет две основные функции: 1) отмечает
смещение начала виртуального контейнера низшего ранга относительно начала цикла структуры более высокого уровня, в которой он размещается; 2) обеспечивает выравнивание скоростей передачи при размещении в структуре более высокого порядка нескольких объединяемых виртуальных контейнеров
нижнего ранга. Применение указателей позволяет устранить необходимость
использования буферных устройств для целей выравнивания.
В соответствии с видами виртуальных контейнеров субблоки обозначают:
TU12, TU2, TU3. Административный блок AU создается путем добавления
к VC4 специального административного указателя (AU4 PTR): AU-4 = VC-4
+ AU-4 PTR. Функции AU PTR такие же, как и TU PTR.
Административный блок AU4 представляет собой циклическую структуру с периодом повторения 125 мкс. Его записывают в виде таблицы размером
(9 270). Из административных блоков формируются групповые административные блоки AUG.
Самой крупной информационной структурой в ЦСП СЦИ является синхронный транспортный модуль (STM). Он образуется путем добавления к AUG
специального заголовка, называемого секционным (Section Over Head-SOH):
STM = AUG + SOH.
Секционный заголовок состоит из двух частей: заголовка мультиплексной секции (multiplexer SOH  MSOH) и заголовка участка регенерации
(Regenerator SOH - RSOH).
73
Первым загружается заголовок MSOH. Он действует в пределах мультиплексной секции и обеспечивает выполнение функций: контроля ошибок; организации каналов управления системой автоматического переключения на резерв, передачи данных и служебной связи.
Затем загружается заголовок RSOH. Он действует в пределах участка регенерации и обеспечивает выполнение функций: цикловой синхронизации;
контроля ошибок; организации каналов передачи данных и служебной связи на
участке регенерации.
Синхронные транспортные модули различают по уровням иерархии СЦИ
и обозначают: STM1, STM4, STM16. Как и другие структуры, STM1
представляют в виде таблицы. Размер таблицы (9270), а размещение заголовка
показано на рис. 30. Следовательно, STM1 содержит 2430 байт (19440 бит).
AU - 4 PTF
VC - 4
AUG
MSON
RSON
AU - 4 PTF
STM
VC - 4
AUG
MSON
RSON
STM
Рис. 30
Несмотря на то, что RSOH загружается последним, STM начинается
именно с него, т.к. в нем содержится сигнал цикловой синхронизации. Это
означает, что в цикле STM передается часть информации предыдущего AUG.
Таким образом, STM1  это блочная циклическая структура с периодом
повторения 125 мкс, начало которой определяется заголовком регенерационного участка (RSOH).
Образование STMN осуществляется путем побайтного объединения
нескольких AUG: STM-N = N 7& 0AUG + SOH-N.
В ЦСП СЦИ уровень формирования STM называют секционным уровнем, а в сети СЦИ  секционным слоем.
На рис. 31 показан общий алгоритм формирования информационных
структур СЦИ на базе C-1 по приведенной ранее схеме преобразования.
74
C-1
РОН
VC - 1
TU- 12
TU - 12 PTR
VC - 1
побайтно объединенные TU - 12
TUG - 2
побайтно объединенные TU G - 2
TUG - 3
РОН
VC - 4
AU - 4
побайтно объединенные TU G - 3
VC - 4
AU - 4 PTR
AU AU
-4-4
AUG
STM - 1
STM - N
С-1
AU - 4
SON
SON - N
побайтно объединенные N
 AUG
Рис. 31
Продолжительность цикла передачи SТМ-1 составляет 125 мкс, т.е. он
повторяется с частотой 8 кГц. Каждая клеточка соответствует скорости передачи 8 бит x 8 кГц = 64 кбит/с. Таким образом, скорость передачи потока STM-1
будет определятся выражением: 9 х 270 х 64 Кбит/с = 155520 кбит/с, т.е. 155
Мбит/с.
Иерархия скоростей СЦИ и архитектура транспортной сети
В ЦСП СЦИ также реализован иерархический принцип построения. В
настоящее время приняты четыре уровня иерархии со следующими градациями
скоростей:
Уровень
иерархии
1
2
3
4
Тип синхронного
транспортного модуля
STM-1
STM-4
STM-16
STM-64
Скорость передачи,
Мбит/с
155,520
622,080
2488,320
9953,280
Также изучается вопрос введения уровня ниже первого для повышения
экономичности использования СЦИ на современных спутниковых и радиорелейных линиях, а также в тех случаях, когда на сети нет необходимости в
сравнительно большой скорости передачи первого уровня.
Несмотря на имеющиеся общие черты у ЦСП СЦИ с существующими
ЦСП, они имеют некоторые специфические особенности.
К первой особенности ЦСП СЦИ способ формирования многоканального
сигнала, который поясняется на рис. 33. Здесь в качестве исходных сигналов
75
взяты сигналы ПЦИ. Необходимо заметить, что среди входных сигналов нет
сигналов со скоростями передачи:
32064 и 97738 кбит/с - японской иерархии;
8448 кбит/с - европейской иерархии.
Считается, что эти сигналы подлежат предварительному демультиплексированию до скоростей передачи 1544 и 2048 кбит/с соответственно, а затем
вводу в ЦСП СЦИ.
На рис. 32 показано, что сигнал первого уровня СЦИ может формироваться несколькими способами в зависимости от скоростей передачи входных
сигналов. Увеличение скорости передачи на других уровнях осуществляется с
постоянным коэффициентом мультиплексирования, равным 4.
63  2 (1,5) Мбит/с 


или


21  6 (ММит/



или


3  34 (45) Мбит/с 


или


1 140 Мбит/с



1 й уровень
.
.
.
155 Мбит/с
1
155 Мбит/с
(140)
4  й уровень
622 Мбит/с
16  й уровень
4
1
в линейные тракты
2,5 Гбит/с
64  й уровень
4
1
10 Гбит/с
4
Рис. 32
Технической основой построения транспортных сетей являются телекоммуникационные системы передачи синхронной цифровой иерархии
(Synchronous Digital Hierarchy - SDH). Их внедрение на сетях связи началось в
80-е годы XX в. Принципиальным отличием систем SDH от ранее существовавших цифровых систем передачи считается то, что они не являются «производителями» информации, а предназначены только для высокоэффективной
передачи и распределения цифровых потоков, формируемых как в традиционных структурах стандартной плезиохронной цифровой иерархии (Plesiochronous Digital Hierarchy - PDH), так и в новых телекоммуникационных технологиях - ATM, B-ISDN и т.д.
В качестве элементов в транспортных сетях принято рассматривать следующие устройства: терминальные мультиплексоры; мультиплексоры вывода/ввода; кроссовые коммутаторы; регенераторы.
Терминальный мультиплексор (Terminal Multiplexer-TM) - оконечное
устройство сети с определенным числом каналов доступа (электрических и оптических) и одним или двумя оптическими входами/выходами, называемыми
агрегатными портами или интерфейсами. При использовании двух агрегатных
портов возможна реализация защиты линейных сигналов от повреждений линии или аппаратуры.
Мультиплексор ввода/вывода (Add/Drop Multiplexer - ADM) (рис. 6).
Предназначен для добавления и извлечения отдельных цифровых компонент76
ных сигналов 2, 34, 140 Мбит/с или 155 Мбит/с. Мультиплексор имеет два или
четыре агрегатных порта, к которым подключаются волоконно-оптические линии связи, и ограниченное число портов компонентных сигналов.
Кроссконнектор (xCross Connects - ХС). Это устройство предназначено
для соединения каналов, закрепленных за пользователями, путем организации
постоянных или полупостоянных (длительных) перекрестных соединений между ними. Кроссовый коммутатор ХС обычно оснащается агрегатными и компонентными портами и обеспечивает коммутацию каналов различной пропускной
способности (от 2 Мбит/с до 155 Мбит/с).
Регенератор (Regenerator) транспортной сети обеспечивает восстановление формы и длительности импульсных посылок.
Рис. 33
Рис. 34
77
Транспортная сеть должна быть надежной и живучей. Термин «надежность» означает,
что сеть должна безотказно работать на протяжении определенного промежутка времени.
Термин «живучесть сети» говорит о том, что абонент сети не получает отказа в услугах связи, даже если сеть повреждена на отдельных участках. К числу основных архитектур (конфигураций) транспортных сетей относятся: линейная сеть, а также двух- и четырехволоконные
кольца. Линейные сети обычно содержат два приемопередающих оконечных устройства,
например мультиплексоры SDH, мультиплексоры ввода/вывода ADM и регенераторы. Пример конфигурации линейной сети приведен на рис. 33.
Кольцевые сети получили широкое распространение у местных и региональных операторов благодаря их особым свойствам «живучести» и относительно невысокой стоимости.
Повреждения линий и отказы аппаратуры в таких сетях могут быть заблокированы и обойдены без существенных потерь для информационных сигналов. Примеры кольцевых архитектур транспортных сетей приведены на рис. 34.
В приведенном примере реализован принцип защиты линейной сети в режиме 1 + 1,
т.е. для одной рабочей секции мультиплексирования создается одна резервная, что обозначает полное гарантированное резервирование всего трафика между терминалами.
Волоконно-оптические системы передачи
Проводные системы передачи, по сравнению с другими, обеспечивают заданную пропускную способность и высокое качество передачи информации. Однако дальнейшее совершенствование систем передачи с использованием металлических кабелей нецелесообразно.
Поэтому в настоящее время широко внедряются волоконно-оптические системы передачи.
Структурная схема ВОСП
Волоконно-оптическая система передачи предназначена для образование линейного
тракта, типовых трактов и каналов передачи первичной сети. На первых этапах внедрения
ВОСП световоды оптических кабелей используются для передачи групповых сигналов, т.е.
оптические кабели входят в состав волоконно-оптической линии передачи (ВОЛП).
В качестве каналообразующей аппаратуры ВОСП используется унифицированное
преобразовательное оборудование (УПО) систем передачи с ЧРК или аппаратура временного
группообразования ЦСП.
На рис. 36 представлена обобщенная схема волоконно-оптической системы передачи,
в которой крупно отражены возможные виды оборудования систем передачи.
Мультиплексор – устройство, обеспечивающее объединение нескольких независимых
каналов на передаче и их разделение на приеме. Мультиплексор объединяет как аналоговые,
так и цифровые каналы. В оптических системах передачи основное применение получили
цифровые мультиплексоры, т.к. образуемые ими групповые сигналы представлены в двоичном коде, который придает высокую помехоустойчивость передаваемой информации. Однако в коротких линиях оптической связи применяются и аналоговые методы мультиплексирования, например, телевизионных каналов для сетей кабельного телевидения.
78
Рис. 36
Мультиплексирование также может быть реализовано для оптических каналов (аналоговых и цифровых). Аналоговые оптические мультиплексоры позволяют объединять/делить определенное количество каналов, образованных на различных оптических несущих частотах в окнах прозрачности одномодовых оптических волокон.
Цифровое оптическое мультиплексирование пока не получило широкого распространения из-за ряда технологических причин. Однако оно может найти применение в оптических системах передачи с использованием солитонов.
Оптический конвертор в системе передачи выполняет главные функции в преобразовании электрических сигналов в оптические на передаче и оптических в электрические с их
регенерацией на приеме. Обобщенная структурная схема конвертора цифровых сигналов
представлена на рис. 37.
Рис. 37
Преобразователь линейного кода цифрового сигнала формирует сигнал с повышенной
помехоустойчивостью передачи. Передающий оптический модуль (ПОМ) обеспечивает модуляцию оптического излучения и стык с оптической средой (атмосферой или волоконной
линией).
Приемный оптический модуль (ПрОМ) преобразует оптическое излучение в электрический сигнал, производит коррекцию искажений, усиление и регенерацию цифрового сиг79
нала. При этом выделяется тактовая частота, которая используется для синхронизации приемной части мультиплексора с целью правильного демультиплексирования каналов.
Функции конвертора полностью контролируются и могут быть управляемыми благодаря встроенным средствам, например, микроконтрол-лерам.
В состав системы передачи могут входить оптические усилители (ОУс), которые позволяют увеличить мощность одноволнового или многоволнового сигнала на передающей
стороне или повысить чувствительность приемника. Оптические усилители имеют хорошо
согласованные характеристики с оптическими передатчиками, приемниками и волоконнооптическими линиями.
Промежуточные станции оптической системы передачи могут быть представлены
различными устройствами: электронными регенераторами, оснащенными оптическими конверторами; электронными мультиплексорами с доступом к определенному числу каналов;
оптическими усилителями, служащими для ретрансляции оптических сигналов, оптическими
мультиплексорами с формированием доступа к отдельным оптическим каналам. В состав
мультиплексоров промежуточных станций могут входить электрические и оптические кроссовые коммутаторы.
Цифровые оптические системы передачи, как правило, снабжены средствами телеконтроля и телеуправления, что позволяет контролировать работу всех компонентов системы
передачи и быстро ликвидировать аварийные состояния. Электрические и оптические секции
мультиплексирования и регенерации (ретрансляции) определяются как участки системы передачи с отдельным контролем и управлением.
Основные компоненты волоконно-оптическойлинии связи
Волоконно-оптическая линия связи представляет собой совокупность пассивных и активных технических устройств и физической среды, обеспечивающих передачу информации
от передатчика к приемнику с помощью несущей оптического (обычно ближнего инфракрасного) диапазона длин волн по волоконным световодам из сверхчистого кварцевого стекла.
Структурная схема ВОЛС изображена на рис. 38. Основными элементами схемы являются оптический передатчик ОПер вначале и приемник ОПр в конце, а также соединяющий их оптический кабель ОК.
Рис.38
Оптический кабель
Оптоволокно само по себе очень хрупкое и для использования требует дополнительной защиты от внешних воздействий. Кабели, применяемые в сетях, используют одномодовые и многомодовые волокна с номинальным диаметром оболочки 125 мкм в покрытии с
наружным диаметром 250 мкм, которые могут быть заключены и в 900-мкм буфер. Оптический кабель (рис. 39) состоит из одного или нескольких волокон, буферной оболочки, силовых элементов и внешней оболочки. В зависимости от внешних воздействий, которым должен противостоять кабель, эти элементы выполняются по-разному.
По количеству волокон кабели подразделяют на симплексные (одножильные), дуплексные (2 волокна) и многожильные (от 4 до нескольких сотен волокон). В многожильных
кабелях обычно применяются однотипные волокна, хотя производители кабеля под заказ могут комплектовать его и разнотипными (одно- и многомодовыми) волокнами.
80
Рис. 39
Буфер отделяет волокно от остальных элементов кабеля и является первой ступенью
защиты волокна. Буфер может быть плотным или пустотелым. Плотный буфер заполняет все
пространство между покрытием и внешней оболочкой кабеля. В кабеле с пустотелым буфером волокна свободно располагаются в полости буфера - жесткой пластиковой трубки, а
оставшееся пространство может быть заполнено гидрофобным гелем. Такая конструкция более громоздка, но обеспечивает большую устойчивость к растяжению и изменениям температуры. В зависимости от назначения и числа волокон профиль буфера может иметь различную форму.
Силовые элементы обеспечивают требуемую механическую прочность кабеля, принимая на себя растягивающие нагрузки. В качестве силовых элементов используют кевларовые нити, стальные стержни, стренги из скрученной стальной проволоки, стеклопластиковые
стержни. Самую высокую прочность имеет стальная проволока, но для полностью непроводящих кабелей она неприменима.
Внешняя оболочка защищает всю конструкцию кабеля от влаги, химических и механических воздействий. Кабели для тяжелых условий эксплуатации могут иметь многослойную оболочку, включающую и бронирующую рубашку из стальной ленты или проволоки.
Материал внешней оболочки определяет защищенность кабеля от тех или иных воздействий,
а также горючесть кабеля и токсичность выделяемого дыма.
Источники и приемники оптического излучения для систем передачи
Источник оптического излучения, излучатель – прибор, преобразующий электрическую энергию возбуждения в энергию оптического излучения заданного спектрального состава и пространственного распределения.
Требования к излучателям:
высокая эффективность преобразования энергии возбуждения в энергию излучения;
узкая спектральная полоса излучения;
направленность излучения;
быстродействие при модуляции, т.е. быстрое возникновение и гашение излучения;
совместимость с приемниками излучения и физическими средами передачи;
когерентность излучения;
миниатюрность и жесткость исполнения;
высокая технологичность и низкая стоимость;
длительный срок службы;
высокая устойчивость к различным перегрузкам (механическим, тепловым, радиационным).
Указанным требованиям в большой степени отвечают некоторые типы излучателей:
светоизлучающие полупроводниковые диоды (СИД);
инжекционные полупроводниковые лазерные диоды (ППЛ);
твердотельные лазеры.
В отдельных случаях применение могут найти малогабаритные газовые лазеры.
Светоизлучающий прибор является центральным прибором в составе передающего
оптического модуля.
Энергетическая характеристика (зависимость излучаемой мощности от прямого тока)
светодиода представляет собой близкую к прямой линию, для лазера она имеет явно выраженный пороговый характер (рис. 40).
81
Рис. 40. Энергетические (слева) и спектральные (справа) характеристики полупроводникового лазера (ПЛ) и светодиода (СД)
Светодиоды изготавливаются в основном по арсенидгаллиевой технологии, генерируют некогерентное излучение и используются для работы по многомодовому оптическому
кабелю на длинах волн 850 и 1300 нм. Типовая выходная мощность составляет порядка 1
мВт, однако из-за значительной ширины диаграммы направленности значение потерь ввода
составляет, как правило, 10-17 дБ. Светодиод как излучатель волоконно-оптической линии
связи эффективен при скоростях передачи до 100-155 Мбит/с.
Полупроводниковый лазер в отличие от светодиода генерирует близкое к монохроматическому излучение со спектральной шириной 1-5 нм, работает на длинах волн 1300 и 1550
нм и используется для передачи информации по одномодовому кабелю. Быстродействие современных лазеров позволяет модулировать их сигналами с частотами до 10 ГГц и выше.
Типовая выходная мощность излучения составляет 5 мВт, потери на ввод обычно не превышают 2...5 дБ.
Диаграмма направленности полупроводникового излучателя при работе в лазерном
режиме имеет меньшую ширину, что при прочих равных условиях позволяет ввести в волокно большую мощность. Одновременно полупроводниковый лазер имеет меньшую ширину
спектральной характеристики, что ведет к снижению дисперсионных искажений передаваемого сигнала.
При создании лазерных передатчиков приходится решать ряд сложных инженерных
задач, обусловленных следующими особенностями лазера:
для уменьшения времени задержки и, следовательно, для увеличения быстродействия
лазерного передатчика рабочая точка в состоянии покоя должна находиться вблизи излома
энергетической характеристики (ток начального смещения ≈ Iпор);
величина порогового тока Iпор (тока, при котором начинается лазерная генерация)
сильно зависит от температуры кристалла излучателя и возрастает с течением времени из-за
эффектов его старения;
большая крутизна энергетической характеристики при токах, превышающих пороговое значение, в сочетании с низкой стойкостью лазера к перегрузкам требует контроля выходной мощности излучения.
Все это приводит к необходимости применения в электронных схемах лазерных передатчиков сложных цепей регулирования и стабилизации с использованием мониторного фотодиода и в конечном счете увеличивает стоимость лазерного оптоэлектронного модуля
примерно в три раза по сравнению со светодиодным.
Фотоприемники обеспечивают преобразование оптического излучения в электрический сигнал. Основными требованиями, предъявляемыми к фотоприемникам, являются высокая чувствительность в сочетании с высоким быстродействием и линейностью отклика на
рабочей длине волны, низкий уровень собственных шумов, стабильность параметров, высокая надежность и низкое напряжение питания. Перечисленным требованиям наиболее полно
удовлетворяют p-i-n и лавинные фотодиоды, которые в основном применяются в технике оптической связи.
82
Сетевая синхронизация
Проведенный анализ построения и эксплуатации цифровых первичных сетей связи
(ЦПСС) с использованием существующих цифровых и волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) показал, что одной из основных проблем является построение рациональной
структуры сети тактовой сетевой синхронизации и обеспечение ее устойчивой работы. Особенно это актуально для цифровых первичных сетей связи МО РФ, которые будут обеспечивать передачу информации в интересах управления войсками и оружием.
Классификация способов синхронизации цифровых сетей
При внедрении цифровых систем передачи (ЦСП) и последующем объединении их в
цифровую сеть возникает необходимость осуществлять на сетевых узлах коммутацию, транзит и оперативное переключение цифровых каналов и трактов систем передачи различных
направлений. При этом должно быть обеспечено согласование (синхронизация) скоростей
передачи цифровых сигналов потоков в каналах (трактах), участвующих в каждом транзитном соединении. В противном случае, при расхождении скоростей передачи в образуемом
составном цифровом канале, возникают проскальзывания (выпадения или вставки символов) передаваемого цифрового сигнала, которые существенно снижают его качество.
Расхождение скоростей передачи цифровых потоков является следствием:
- использования в генераторном оборудовании ЦСП кварцевых генераторов с низкой
10 5  10 6 ;
относительной нестабильностью частоты порядка
- изменения задержки сигналов в линиях передачи, соединяющих сетевые узлы.
Для устранения проскальзываний в образуемых на ЦПСС составных цифровых каналах
используются два основных подхода (рис. 41).
Устранение проскальзываний в составном
цифровом канале
Построение системы тактовой
сетевой синхронизации
Согласование скоростей
Положительное согласование
Отрицательное согласование
Двустороннее
согласование
Хронирование каждого узла от
отдельного высокостабильного стандарта
частоты (псевдосинхронный режим)
Обмен хронирующими сигналами между
сетевыми узлами
(синхронный режим)
Двухконцевой
Одноконцевой
Двустороннее
управление
Одностороннее
управление
Взаимная
синхронизация
Принудительная
синхронизация
Без обмена синхроинформацией
между сетевыми узлами
(иерархическое построение)
С обменом синхроинформацией
между сетевыми узлами
(на основе самоорганизации)
Рис. 41
Первый подход не требует синхронизации генераторного оборудования взаимодействующих сетевых узлов и заключается в согласовании скоростей передачи в аппаратуре
временного объединения (АВО) ЦСП при вводе в нее цифровых сигналов. В основе подхода
лежит принудительное изменение скорости передачи, вводимых в групповой сигнал АВО
83
асинхронных цифровых сигналов. На приеме восстановление производится по специально
передаваемым командам согласования скоростей.
Метод положительного согласования скоростей передачи используется в АВО плезиохронной цифровой иерархии (ПЦИ) стационарных ЦСП, выпускаемых всеми ведущими зарубежными компаниямипроизводителями ЦСП. В отечественной аппаратуре ПЦИ применяются как методы положительного, так и двустороннего согласования скоростей. В оборудовании синхронной цифровой иерархии (СЦИ) метод положительного согласования
скоростей используется для реализации асинхронного способа размещения в контейнерах
сигналов ПЦИ. Метод двустороннего согласования скоростей нашел применение для формирования субблоков (TU11,12,2,3) и административных блоков (AU3,4) при выполнении
операции корректирования фазы и частоты с использованием механизма обработки (согласования) указателей.
Однако методы согласования скоростей передачи не могут быть использованы в АВО
первой ступени (ПВГ), обеспечивающей объединение сигналов цифровых каналов со скоростью 64 кбит/с (ОЦК) в сигнал первичного цифрового группового тракта. Это объясняется
отсутствием в нем пропускной способности для передачи команд согласования скоростей
(32 64=2048 кбит/с). Поэтому при использовании только методов согласования скоростей
передачи в АВО на ЦПСС не может быть образован составной ОЦК.
Второй подход предполагает построение синхронной цифровой сети, в которой обеспечивается синхронная работа генераторного оборудования всех взаимодействующих узлов
сети  тактовая сетевая синхронизация. Это позволяет осуществлять синхронную передачу
по цифровой сети первичных трактов 2 Мбит/с и, следовательно, передачу и коммутацию
всех компонентных сигналов, входящих в состав этих трактов.
При одно- и двухконцевой синхронизации с односторонним управлением подстройка
частоты осуществляется на одном из двух сетевых узлов. При двустороннем управлении
подстройка частоты производится на каждом из двух взаимодействующих узлов. Двустороннее управление используется преимущественно при взаимной, а одностороннее  при
принудительной синхронизации узлов цифровой сети.
Взаимная синхронизация сетевых узлов цифровой сети предусматривает участие в той
или иной степени каждого генератора в управлении всеми другими генераторами сети. Отличительная особенность сети взаимной синхронизации - отсутствие в ней центрального ведущего генератора, что позволяет в случае дробления сохранять работоспособность сохранившихся частей цифровой сети. Однако зависимость частоты синхронизации сети f с от
собственных частот всех генераторов требует при ее коррекции осуществлять одновременную подстройку сразу нескольких генераторов, расположенных в различных пунктах.
Кроме того, наличие петель обратной связи делает необходимым исследование каждого варианта построения сети на устойчивость к самовозбуждению. Вследствие сказанного, взаимная синхронизация нашла применение на локальных (изолированных) сетях.
Принудительная синхронизация сетевых узлов цифровой сети обеспечивается одним
ведущим генератором, который управляет частотой генераторов всех остальных сетевых узлов. В такой сети наряду с синхронизацией узлов с односторонним управлением, исходящей
от сетевого узла с ведущим генератором, могут существовать участки сети с синхронизацией ряда узлов с двусторонним управлением.
На начальных этапах развития цифровых сетей широкое применение находит использование иерархического способа построения системы принудительной синхронизации. При
таком способе синхронизация осуществляется от узлов высшего к узлам низшего уровня
иерархии (рис. 42).
Синхросигналы, приходящие к ведомому узлу по различным линиям, отличаются по
качеству. Сигнал высшего качества поступает от ведущего генератора по кратчайшему пути
и через наименьшее число промежуточных узлов возможно высшего уровня. В нормальных
условиях каждый ведомый узел синхронизируется сигналом высшего качества. В случае
пропадания такого сигнала происходит переключение на работу от сигнала высшего качества из числа оставшихся узлов. Переключение осуществляется по заранее составленной
84
для каждого ведомого узла программе, которое просто в реализации и при одноконцевой
синхронизации не требует организации дополнительных служебных каналов для обмена
синхроинформацией между узлами. Однако отказ в данном способе принудительной синхронизации от использования связей между узлами равного уровня может существенно снизить надежность системы синхронизации на разветвленной сети.
Уровни иерархии
1
I
2
3
4
7
8
II
5
9
6
10
11
12
III
13
14
IV
Рис. 42
Принудительная синхронизация на основе самоорганизации предполагает организацию передачи служебных сигналов синхроинформации между сетевыми узлами цифровой
сети. На основе этой информации на каждом ведомом узле осуществляется выбор сигнала
для синхронизации из числа приходящих. На каждом узле принимаемая информации анализируется и делается выбор сигнала синхронизации. Сигнал синхронизации может выбираться, например, от узла с наименьшим номером, проходящий по кратчайшему пути через
узлы наивысшего уровня иерархии, или по признаку метрологической состоятельности без
учета формальной иерархии. В результате самоорганизуется система принудительной синхронизации сети, обычно с деревообразной структурой, которая исключает образование петель обратной связи и обеспечивает устойчивость к самовозбуждению.
Концепция построения системы тактовой сетевой синхронизации цифровых сетей
Анализ опыта построения систем тактовой сетевой синхронизации в различных странах, рекомендации МСЭТ и изучение географических условий нашей страны показывают,
что цифровая сеть в плане синхронизации должна разбиваться на несколько регионов. Таких
регионов в России должно быть не менее четырех, а в дальнейшем предполагается, достигнет восьми. В пределах каждого региона, начиная с центрального узла, оснащенного первичным эталонным генератором (ПЭГ), тактовая сетевая синхронизация строится сверху
вниз по принципу принудительной синхронизации "ведущий-ведомый". Это наиболее дешевый и эффективный способ построения системы тактовой сетевой синхронизации, поскольку установка и эксплуатация ПЭГ, обладающих высокой точностью установки и поддержания частоты, в настоящее время весьма дороги и сложны.
В соответствии с разработанной концепцией построения тактовой сетевой синхронизации цифровой сети России предусматривается четыре режима ее работы, основные характеристики которых приведены на рис. 43.
Режимы тактовой сетевой
синхронизации
Псевдосинхронный
Синхронный
В идеале
проскальзыва
ний нет
 точность устоновки


точность установки 
частоты 1 10 - 11
Плезиохронный
1  10 - 9
Ассинхронный точность
 установки частоты 
1  10 - 5
Не более одного
проскальзывания за
70 суток
Не более одного
проскальзывания за
17 часов
Не более одного
проскальзывания за
7 секунд
Рис. 43
Синхронный режим работы обеспечивает получение общей частоты путем передачи
сигналов синхронизации. Он характерен для работы аппаратуры в некотором регионе при
85
функционировании в нем системы принудительной синхронизации от ПЭГ центрального
узла.
Псевдосинхронный режим является основным для взаимодействия между регионами,
на международной сети, а также при сопряжении с большинством ведомственных сетей, в
том числе, цифровыми сетями военной связи. При этом режиме точность установки номиналов тактовых частот генераторного оборудования взаимодействующих узлов должна
быть не хуже 110-11.
Если точность установки несколько ниже, но не превышает 110-9,то режим работы
тактовой сетевой синхронизации называется плезиохронным. Он может возникать на некоторых участках сети в период появления аварий и повреждений и считается допустимым, если
в течение года длится не более одного дня. Когда же эта точность еще ниже, имеет место
асинхронный режим, который на цифровой сети недопустим.
На начальном этапе построения систем сетевой тактовой синхронизации организация
синхронной работы в регионах реализуется по принципу иерархической принудительной
синхронизации. Синхронизация генератор-ного оборудования узлов в каждом регионе осуществляется от ПЭГ центрального узла непосредственно или с помощью ведомых задающих генераторов (ВЗГ), размещаемых на ведомых региональных узлах и управляемых ПЭГ.
На каждом сетевом узле должен быть только один источник синхронизации, от которого по схеме в виде "звезды" с расходящимися лучами обеспечивается хронирование всего
установленного на нем генераторного оборудования. Последовательный переприем сигналов
синхронизации на узле недопустим.
Основными переносчиками синхроинформации внутри регионов служат сигналы первичного тракта 2048 кбит/с систем передачи ПЦИ или групповые сигналы синхронных
транспортных модулей STMN систем передачи СЦИ. Для этой цели не могут быть использованы сигналы первичных трактов, которые выделены из вышестоящих цифровых трактов
ПЦИ, образованных мультиплексированием (временным объединением) с использованием
метода двустороннего согласования скоростей, а также групповые сигналы синхронных
транспортных модулей СЦИ, которые подвержены искажениям в результате корректирования фазы и частоты с использованием механизма обработки (согласования) указателей.
Данные ограничения связаны с тем, что такие сигналы имеют значительные фазовые блуждания (изменения фазы инфранизкой частоты - wаnder) значащих моментов времени, и некоторые типы генераторного оборудования не могут от них синхронизироваться.
Для уменьшения фазовых блужданий, в первую очередь, должны использоваться сигналы, переданные по оптическим или коаксиальным линиям, а затем в порядке убывания
приоритета сигналы, переданные по симметричным кабелям, радиорелейным и спутниковым линиям передачи.
По линиям СЦИ сигнал синхронизации передается по цепочке в одну сторону и регенерируется с помощью генераторов сетевых элементов (ГСЭ). Каждый ГСЭ синхронизируется от ПЭГ, ВЗГ или предыдущего ГСЭ, включенного в цепочку. Допустимое число последовательно включенных в цепочку ГСЭ не должно превышать 20, а при наличии в цепочке ВЗГ  60. Обмен сигналами синхронизации между аппаратурой ПЦИ и СЦИ происходит с
помощью последовательности 2048 кГц. Поэтому на стыке сетей ПЦИ и СЦИ должны устанавливаться устройства, фазирующие сигналы первичного цифрового тракта тактовой последо-вательностью 2048 кГц, полученной из сигнала STMN.
Схема синхронизации в регионе должна иметь древовидную структуру без замкнутых
петель (рис. 44). Разветвление может происходить на каждом узле, содержащем ВЗГ, синхронизирующие сигналы к которому поступают по двум независимым путям. Переключение
на резервный путь приема синхросигнала не должно создавать на сети синхронизации замкнутых петель. Кроме приема резервного синхросигнала, каждый ВЗГ должен иметь возможность переходить в автономный режим удержания частоты. Причем при последовательном включении в путь синхронизации нескольких ВЗГ каждый последующий должен
иметь полосу захвата не меньшую, чем возможные пределы ухода частоты предыдущего ВЗГ
86
в автономном режиме. По своим характеристикам ВЗГ делятся на транзитные и местные. У
транзитных ВЗГ стабильность собственной частоты выше, а полоса захвата меньше.
Плезиохронный
участок сет и
ВЗГ
ВЗГ
ВЗГ
ВЗГ
ВЗГ

Повреждение
ПЭГ-2
ПЭГ-1
ПЭГ-3
ВЗГ
ВЗГ
ВЗГ
ВЗГ
Псевдосинхронный стык
Регион №1
Псевдосинхронный стык
Регион №2
Регион №3
Рис. 44
По мере развития цифровой сети и роста в ней числа регионов, центральные ведущие
узлы регионов смогут переводится с псевдосинхронного режима работы на синхронный с
принудительной синхронизацией от главного узла. С этой целью один из центральных ведущих узлов регионов выделяется в качестве главного. Кроме основного главного ведущего
узла, среди центральных ведущих узлов должен быть выделен резервный главный ведущий
узел, к которому переходит роль главного при отказе основного главного узла. На случай
полного отказа принудительной синхронизации предусматривается возможность возврата к
псевдосинхронному режиму работы в качестве полноценного резерва. Кроме того, с ростом
разветвленности сети синхронизация внутри региона может переводиться на режим самоорганизации, при котором каждый ведомый узел региона выбирает наилучший в данной ситуации путь получения синхросигнала, не имеющий замкнутых петель.
Способы повышения достоверности передаваемых сообщений
Изменения формы импульсов при прохождении их по линии связи называются искажениями. Как только появилась первая линия связи (телеграфный провод), так сразу перед
связистами встала задача - направить все свои силы на борьбу с искажениями, которые есть
всегда.
Регенерация цифровых сигналов
Не существует такой линии связи, которая не вносила бы искажений в передачу информации (рис. 45). Искажения ограничивают дальность связи и иногда весьма существенно,
поскольку на приеме из-за них бывает очень трудно определить, какая информация передавалась.
Одним из основных преимуществ цифровых систем передачи является возможность
восстановления (регенерации) импульсных сигналов. Регенерация линейного сигнала осуществляется регенераторами.
87
Рис. 45
Если поступивший из линии сигнал превышает установленный пороговый уровень передана 1, ниже порогового уровня - передан 0. Это правило очень простое и легко реализуется с помощью микросхем (их назвали компараторами), сравнивающих два сигнала, один из
которых поступает из линии, а другой является эталоном, или опорным, и играет роль порога. При превышении порога на выходе компаратора появляется импульс, свидетельствующий о том, что принято решение: передана 1. В противном случае на его выходе ничего нет молчаливое свидетельство того, что передан 0 (рис. 46).
Рис. 46
Вот только какой «высоты» этот порог устанавливать? Если небольшой, то компаратор будет уверенно обнаруживать каждый переданный импульс, даже очень сильно «изъеденный» помехой (при условии, конечно, что он не исчез совсем). Но зато при этом нет никакой гарантии, что из-за частого превышения шумом невысокого порога не будут пропущены те моменты, когда передавались нули, и, следовательно, импульсы в линии отсутствовали. Наоборот, если пороговую «планку» поднять очень высоко, то компаратор не пропустит
почти ни одного 0 (кроме тех редких случаев, когда шум будет очень большим). Но вместе с
тем он не будет «замечать» большое число импульсов, амплитуды которых уменьшились изза воздействия помех и оказались ниже порогового уровня. На рис. 47, показано влияние величины порога на вероятность ошибочных решений. С увеличением порогового значения
растет вероятность пропуска 1, но одновременно уменьшается вероятность пропуска 0. Пересечение этих кривых - вот «соломоново решение»! При пороговом значении, равном как
раз половине высоты импульса, риск пропустить ту или другую цифру (0 или 1) одинаковый.
88
Рис. 47
Итак, компаратор принимает решение о том, какой символ был передан, путем сравнивания амплитуды входного сигнала с эталонным значением - порогом. Все то время, в течение которого сигнал по высоте превышает порог, на выходе компаратора существует импульс, сигнализирующий об этом превышении. Но нужно ли проводить такое сравнение
непрерывно? Очевидно, нет, тем более что компаратор будет выдавать импульсы неодинаковой длительности. (В этом легко убедиться, проведя на рисунке, изображающем искаженный
сигнал, горизонтальную черту- порог: все превышения этого порога имеют разную длительность.) Поэтому поступают так: через равные промежутки времени - тактовые интервалы - на
компаратор поступает команда «произвести сравнение!» Кто дает такие указания, вы знаете система синхронизации. Значит, опять нужны тактовые импульсы. Эти импульсы выделяют
из цифрового потока.
Восстановление длительности импульсов осуществляется мультивибратором. Описанная процедура восстановления цифровых сигналов называется регенерацией (от позднелатинского regenerate -возрождение, возобновление), а устройство, выполняющее эти функции, - регенератором. Как мы видели, регенератор включает в себя схемы: принятия решения, формирования импульсов, выделение тактовой частоты. Регенераторами снабжаются
все цифровые системы передачи, работающие по электрическим и оптическим кабелям, радиорелейным и спутниковым стволам. На радиорелейных линиях связи регенераторы размещаются вместе с приемной аппаратурой на промежуточных и оконечных башнях (или
мачтах), а на спутниковых линиях - на самом спутнике и на приемных земных станциях. А
вот на кабельных магистралях их даже закапывают в землю, т.е. на этих линиях регенераторов ставят так много, что их приходится «врезать» прямо в кабель, лежащий в земле.
Число регенераторов на магистрали может достигать нескольких сотен. И в каждом из
них компаратор может ошибиться и принять неверное решение. Если ориентироваться на
самый худший случай, то можно подсчитать вероятность того, что ошибки появятся на выходах всех регенераторов одновременно. Эта вероятность равна сумме вероятностей ошибок
в отдельных регенераторах. Допустимая вероятность ошибки для одного регенератора (если,
например, их число равно 100, а вероятность ошибки для всех регенераторов не должна превышать 10-6) будет в 100 раз жестче: 10-8. Допускается одна ошибка на 100 млн. символов!
Чтобы обеспечить такое высокое качество «диагностики» искаженных помехами и
шумами импульсов, приходится включать регенераторы на городских телефонных кабелях,
где и сигнал ослабляется сильнее, и помех больше, через 2...3 км. На магистралях из коаксиальных кабелей, а они ослабляют сигнал в меньшей степени и защищены от помех лучше,
регенераторы ставятся реже - через 5 км.
89
Помехоустойчивое линейное кодирование сигналов
В некоторых языках (как древних, так и сохранившихся поныне) для записи слов используются только согласные буквы. Считается, что необходимые гласные звуки добавит
при чтении сам читающий. Ясно, что подобное устранение избыточности из языка делает его
более уязвимым перед искажениями.
Чем больше избыточность информации, тем более помехоустойчивой она является. А
нельзя ли искусственно ввести избыточность в цифровую информацию, представленную
двоичными цифрами 0 и 1? Можно, но за это придется «платить». Поясним, в чем тут дело.
Например, в коде Бодо каждая буква заменяется 5-разрядным двоичным кодом, т.е. пятью
битами 0 и 1. Данный код не является избыточным, так как искажение любого бита приводит
к декодированию вместо переданной другой буквы, т.е. к ошибке. Сделать код избыточным
можно одним путем: добавить дополнительные биты к уже имеющимся. Но это приведет к
тому, что каждая буква будет теперь передаваться медленнее. Так, введение в информацию
избыточности влечет за собой снижение скорости ее передачи. Вот об этой «плате» и шла
речь выше. Тем не менее, разработчики цифровых систем передачи часто вполне сознательно идут на такой шаг - делают информацию «избыточной» с тем, чтобы обнаружить ошибки
в принятых комбинациях двоичных символов, а если возможно, то и исправить их.
На приемной станции цифровой системы передачи можно подсчитать число ошибочных решений, принятых регенератором, не зная даже, какой конкретный бит, принят неверно. Покажем на примере кода Бодо, как это делается. Предположим, что передаются две
комбинации цифр: 10101 и 01100. В них все биты являются «нужными», избыточности в
этой информации нет. Введем ее искусственно: к информационным битам добавим шестой контрольный, но сделаем это так, чтобы сумма единиц в передаваемой комбинации была
четной. Для первой комбинации цифр контрольный бит нужно выбрать равным 1, а для второй - 0. Итак, в линию поступают уже не 5-, а 6-разрядные группы битов: 10101,1 и 01100,0
(запятую мы ввели условно, чтобы чисто зрительно отделить контрольный бит от информационных). Если теперь помеха исказит сигнал и какой-то бит будет принят неверно, т.е.
вместо 1 регенератор выдаст 0 или, наоборот, вместо 0 будет зарегистрирована 1, то независимо от разряда кодовой комбинации, в котором это произошло, сумма единиц уже будет
четной. Таким образом, наличие ошибки будет зафиксировано. Действительно, легко обнаруживается, что комбинация вида 00101,1 не могла быть передана, поскольку сумма единиц
в ней нечетная. Точно также ошибочными являются комбинации: 10101,0 и 01101,0.
А кто подсчитает сумму единиц в принятой комбинации двоичных цифр? Одно из
правил двоичной арифметики - суммирование «по модулю 2». Вот эти действия: 0  0 = 1, 1
 0 = 1, 0  1 = 1, 1  1 = 0.
Знак «плюс в кружочке» отличает их от обычного двоичного суммирования. Существует и микросхема, которая выполняет указанные действия. О ней мы тоже говорили - это
сумматор «по модулю 2». Просуммировать все цифры в кодовой комбинации очень просто:
очередная цифра, поступающая на такой сумматор, складывается с результатом предыдущего суммирования. Если число единиц в этом наборе цифр нечетное, то в результате суммирования на выходе микросхемы появится 1 (0  0  1  0  1  1 = 1), при четном числе
единиц – 0 (1  0  1  0  1  1 = 0). Вряд ли стоит пояснять, что наличие на выходной
ножке единичного импульса - признак ошибочного решения, принятого регенератором.
Остается только подсчитать (с помощью другой микросхемы - двоичного счетчика), сколько
раз появлялась единица за все время передачи, - и вероятность ошибки определена! Мы рассмотрели двоичную систему.
В ИКМ-аппаратуре успешно «работает» троичная система счисления, в которой используются три цифры: -1, 0 и +1. Цифре +1 соответствует импульс положительной полярности, 0, как и ранее, - отсутствие импульса и, наконец, -1 представляется импульсом отрицательной полярности. Поскольку цифровой поток первоначально состоял из чередования
двоичных символов 0 и 1, то осуществляется переход от двоичной системы счисления к
троичной. В зависимости от правила перехода получаются различные коды.
90
Первый троичный код был изобретен в 1952 г. инженерами американской компании
«Bell». Преобразование двоичных чисел в троичные происходило в нем по довольно простому алгоритму: нули оставались без изменения, а единицы изменялись поочередно то на +1,
то на -1. Например, цифровая двоичная последовательность 1100111001 приобретала после
преобразования вид: +1 -100 +1 -1 +100 -1. Заметьте, данный алгоритм не удовлетворяет правилам перехода из двоичной системы счисления в троичную. Поэтому такой код называют
квазитроичным (квази означает как бы, почти). У него есть еще одно название - код с чередованием полярности импульсов (ЧПИ).
Достоинством кода оказалось то, что наличие в нем избыточности, заложенной не в
добавочных символах, как это наблюдалось в двоичных кодах, а в большем основании кода,
не требует снижения скорости передачи цифрового потока: какой она была, такой и осталась.
В то же время структура кода позволяет обнаруживать ошибки и подсчитывать их вероятность. Действительно, допустим, в троичной последовательности, приведенной выше, был
неверно принят четвертый символ: вместо 0 восстановлена 1. Таким образом, на выходе регенератора имеется последовательность +1 -10 +1 +1 -1 +100 -1. Вы обратили внимание, что
нарушилось правило чередования полярностей импульсов? Ведь в соответствии с принятым
алгоритмом формирования кода в нем не могут следовать подряд два импульса одной полярности. Значит, для определения вероятности ошибок на приемной станции следует подсчитать количество нарушений за время передачи чередования полярностей.
Этот простейший троичный код, изобретенный почти 40 лет назад, и по сей день является наиболее распространенным в ИКМ-системах передачи. В регенераторах таких систем добавляется еще один компаратор, который принимает решение о наличии или отсутствии отрицательного импульса, сравнивая его с отрицательным порогом. Впрочем, можно
без «переделки» использовать и регенераторы двоичных сигналов, поскольку троичный код
очень легко превратить в двоичный с помощью обычного выпрямителя. В подобном выпрямителе отрицательные импульсы «переворачиваются» и становятся положительными.
Добавим, что описанное преобразование двоичных цифр в троичные не является
единственным. В табл. 8 показано, как 4-разрядные слова двоичного алфавита (т.е. алфавита,
состоящего всего из двух символов 0 и 1) можно закодировать 3-разрядными словами на основе алфавита с тремя символами -1, 0 и +1.
Таблица 8
Двоичный
Двоичный
Троичный код
Троичный код
код
код
0000
0
-1
+1
1000
0
+1
-1
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
-1
-1
+1
0
0
0
-1
+1
0
-1
+1
-1
0
+1
0
+1
+1
+1
0
+1
+1
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111
+1
-1
+1
+1
-1
+1
-1
-1
0
0
0
-1
+1
-1
0
-1
0
+1
0
-1
-1
Заметьте, что теперь вместо каждых четырех импульсов нужно передавать в линию
только три. Появляется возможность на месте каждого четвертого импульса цифрового потока передать дополнительные символы, т.е. увеличить объем передаваемой информации.
Мы ограничились рассмотрением лишь простейших кодов, обнаруживающих и исправляющих ошибки. Существует множество более сложных кодов, которые могут исправлять в принятой комбинации цифр не одну, а сразу несколько ошибок.
91
Управление сетями и сетевыми элементами
Выделение в системах управления типовых групп функций и разбиение этих функций
на уровни еще не дает ответа на вопрос, каким же образом устроены системы управления, из
каких элементов они состоят, и какие архитектуры связей этих элементов используются на
практике.
Архитектура системы управления сетями и сетевыми элементами
Схема менеджер - агент. В основе любой системы управления сетью лежит элементарная схема взаимодействия агента с менеджером. На основе этой схемы могут быть построены системы практически любой сложности с большим количеством агентов и менеджеров разного типа. Схема «менеджер - агент» представлена на рис. 48.
Рис. 48
Агент является посредником между управляемым ресурсом и основной управляющей
программой-менеджером. Чтобы один и тот же менеджер мог управлять различными реальными ресурсами, создается некоторая модель управляемого ресурса, которая отражает только те характеристики ресурса, которые нужны для его контроля и управления. Например,
модель маршрутизатора обычно включает такие характеристики, как количество портов, их
тип, таблицу маршрутизации, количество кадров и пакетов протоколов канального, сетевого
и транспортного уровней, прошедших через эти порты.
Менеджер получает от агента только те данные, которые описываются моделью ресурса. Агент же является некоторым экраном, освобождающим менеджера от ненужной информации о деталях реализации ресурса.
Агент поставляет менеджеру обработанную и представленную в нормализованном
виде информацию. На основе этой информации менеджер принимает решения по управлению, а также выполняет дальнейшее обобщение данных о состоянии управляемого ресурса,
например, строит зависимость загрузки порта от времени.
Для получения требуемых данных от объекта, а также для выдачи на него управляющих воздействий агент взаимодействует с реальным ресурсом некоторым нестандартным
способом. Когда агенты встраиваются в коммуникационное оборудование, то разработчик
оборудования предусматривает точки и способы взаимодействия внутренних узлов устройства с агентом.
При разработке агента для операционной системы разработчик агента пользуется теми интерфейсами, которые существуют в этой операционной системе, например интерфейсами ядра, драйверов и приложений. Агент может снабжаться специальными датчиками для
получения информации, например, датчиками релейных контактов или датчиками температуры.
92
Менеджер и агент должны располагать одной и той же моделью управляемого ресурса, иначе они не смогут понять друг друга. Однако в использовании этой модели агентом и
менеджером имеется существенное различие. Агент наполняет модель управляемого ресурса
текущими значениями характеристик данного ресурса, и в связи с этим модель агента называют базой данных управляющей информации (Management Information Base - MIB). Менеджер использует модель, чтобы знать о том, чем характеризуется ресурс, какие характеристики он может запросить у агента и какими параметрами можно управлять.
Менеджер взаимодействует с агентами по стандартному протоколу. Этот протокол
должен позволять менеджеру запрашивать значения параметров, хранящихся в базе MIB, а
также передавать агенту управляющую информацию, на основе которой тот должен управлять устройством.
Различают управление inband, т. е. по тому же каналу, по которому передаются пользовательские данные, и управление out-of-band, т. е. вне канала, по которому передаются
пользовательские данные. Например, если менеджер взаимодействует с агентом, встроенным
в маршрутизатор по протоколу SNMP, передаваемому по той же локальной сети, что и пользовательские данные, то это будет управление inband. Если же менеджер контролирует коммутатор первичной сети, работающий по технологии частотного уплотнения FDM, с помощью отдельной сети Х.25, к которой подключен агент, то это будет управление out-ofband.
Управление по тому же каналу, по которому работает сеть, более экономично, так как
не требует создания отдельной инфраструктуры передачи управляющих данных. Однако
способ out-of-band более надежен, так как он предоставляет возможность управлять оборудованием сети и тогда, когда какие-то элементы сети вышли из строя и по основным каналам
оборудование недоступно.
Стандарт многоуровневой системы управления TMN имеет в своем названии слово
Network, подчеркивающее, что в общем случае для управления телекоммуникационной сетью создается отдельная управляющая сеть, которая обеспечивает режим out-of-band.
Обычно менеджер работает с несколькими агентами, обрабатывая получаемые от них
данные и выдавая на них управляющие воздействия. Агенты могут встраиваться в управляемое оборудование, а могут и работать на отдельном компьютере, связанном с управляемым
оборудованием по какому-либо интерфейсу. Менеджер обычно работает на отдельном компьютере, который выполняет также роль консоли управления для оператора или администратора системы.
Модель менеджер - агент лежит в основе таких популярных стандартов управления,
как стандарты Internet на основе протокола SNMP и стандарты управления ISO/OSI на основе протокола CMIP.
Агенты могут отличаться различным уровнем интеллекта - они могут обладать как
самым минимальным интеллектом, необходимым для подсчета проходящих через оборудование кадров и пакетов, так и весьма высоким, достаточным для выполнения самостоятельных действий по выполнению последовательности управляющих действий в аварийных ситуациях, построению временных зависимостей, фильтрации аварийных сообщений и т.п.
Система управления первичными и вторичными сетями
Система управление первичной сетью. Существующие телекоммуникационные сети
принято делить на первичные и вторичные в зависимости от того, обеспечивают ли они доставку (транспортировку) информации или коммутацию физических (логических) каналов.
Первичные сети принято делить на магистральные, обеспечивающие доставку информации
между крупными узлами, и доступа, реализующие экономичный способ доступа пользователей к ресурсам сети. В свою очередь, вторичные сети делят на два вида в зависимости от используемого способа коммутации: с коммутацией каналов и пакетов. Очевидно, что при
большом разнообразии существующих сетей электросвязи используются и разные технологии управления ресурсами.
93
Каждая из сетей, имея собственную систему управления, должна быть способной взаимодействовать с системами управления других сетей. Для такого взаимодействия необходимо использовать одинаковые архитектурные принципы построения системы управления. Эти
принципы заложены в концепциях, посвященных TMN. Как известно, функции TMN разделены на четыре уровня: управления бизнесом, услугами, сетью и элементами сети. В пределах каждого из уровней задачи управления решаются автономно системами поддержки операций (Operations Support System - OSS). На рис. 49 приведена функциональная иерархия
TMN и систем поддержки операций.
Рис. 49
Напомним, что:
уровень 1 отвечает за управление доходами от всех телекоммуникационных сетей региона и за выполнение соглашений как между операторами и пользователями, так и между
операторами отдельных сетей;
уровень 2 отвечает за управление услугами, которые предоставляют все операторы, и
за интерфейс с пользователями;
уровень 3 отвечает за управление первичной сетью как цельной системой, с учетом
топологии сети, но без учета конкретного механизма функционирования отдельных составляющих;
уровень 4 отвечает за управление конкретным сетевым элементом (ЭС) без знания топологии сети.
Чтобы реализовать функции управления на каждом уровне, создаются подсистемы
управления: элементами сети - ПУЭС (Element Manager System - EMS), сетью - ПУС (Net
Manager System - NMS), услугами - ПУУ (Service Manager System - SMS), а также центры:
технической эксплуатации и технического обслуживания - ЦТЭ (Operation and Maintenance
Centre - ОМС), сетью - ЦУС (Net Manager Centre - NMC), услугами - ЦУУ (Service Manager
Centre - SMC), бизнесом -ЦУБ (Business Manager Centre - BMC).
94
Подсистема управления элементами сети. Подсистема управления элементами первичной сети может решать задачи автономного управления одним или группой ЭС (пример
управления группой - ПУЭС транспортной сетью SDH). ПУЭС в большинстве случаев не
стандартизованы, каждый изготовитель средств доставки информации предлагает свое решение.
Любая ПУЭС в любой момент времени обязана предоставить системе поддержки
операций (OSF) сетевого управления информацию о состоянии ЭС или группы элементов
как одного управляемого объекта.
База данных управления ЭС определенного типа (мультиплексо-ра/демультиплексора,
кросс-коннектора, пункта сигнализации и др.) должна содержать стандартный набор данных,
характеризующих его сетевой адрес, конфигурацию, результаты информационного обмена с
OSS уровня сетевого управления, максимально допустимые значения статистических показателей, при превышении которых ПУЭС посылает тревожное сообщение объекту уровня
сетевого управления, и много другой информации.
Подсистема управления услугами (ПУУ). Функции ПУУ, в отличие от функций
ПУС, ориентированы на высокоуровневое управление сетью электросвязи на основе контроля такой интегральной характеристики, как степень удовлетворенности пользователей
качеством услуг доставки информации. Характерные функции ПУУ таковы:
контроль соответствия запросов пользователей соглашению о предоставлении услуг;
ведение
списков
пользователей,
заявивших
о
неисправностях
и неудовлетворенности качеством услуг;
контроль
показателей
качества
услуг,
предоставляемых
одним
или группой операторов сети электросвязи;
оперативное
управление
предоставлением
каналов
и
трактов
в аренду.
Подсистема управления ЭС может быть внешней по отношению к группе управляемых объектов и встроенной. Использование в системе управления сетью нескольких ПУЭС
вызвано тем, что разные изготовители цифровых систем передачи используют специфические, не стандартизованные, средства управления.
Подсистема управления сетью собирает, организуя обмен информацией через сеть
передачи данных, и обрабатывает данные от всех ПУЭС, представляя их в интегральном виде
для администрации сети и ПУУ.
Интегральное представление состояния сети электросвязи на уровнях управления сетью и услугами позволяет с достаточной полнотой определять проблемы и принимать оптимальные решения.
Система управления вторичной сетью. Центры ТО и ТЭ. Вторичные сети электросвязи предоставляют значительно большее разнообразие услуг, чем первичные сети. Поэтому существует большое разнообразие функций элементов вторичных сетей и связанные с
этим трудности сопряжения ЭС с системой управления сетью. Автономное управление цифровыми станциями и узлами вторичных сетей реализуется встроенными системами технической эксплуатации (ТЭ) и технического обслуживания (ТО).
Управление группой станций на территории ответственности одного оператора реализуется центрами ТЭ и ТО (Operation and Maintenance Center - ОМС). Центры ТО и ТЭ (ЦТЭ)
взаимодействуют со станциями сети с помощью Q-адаптеров (QA), а с ПУС - с помощью интерфейса Qx (рис. 50). Заметим, что упомянутый выше интерфейс Qx, а также Q3, F относятся
к интерфейсам TMN (Рекомендация М.3020).
95
Рис. 50. Структура системы управления вторичной сетью
Центр технической эксплуатации должен предоставлять возможность обмена с ПУС и
другими ЦТЭ системы управления сетью. Роль ЦТЭ является двоякой: с одной стороны, это
агент при связи с ПУС, с другой - это администратор (менеджер) при связи с ЭС. В ЦТЭ
должны быть заложены следующие возможности:
взаимодействие через интерфейс Q3 с ПУС;
разделенные знания управления в терминах управляемых объектов, атрибутов, эксплуатации с сетевой точки зрения и независимости от производителей оборудования;
способность управления конфигурацией, техническим обслуживанием и качеством
функционирования подчиненных ему ЭС.
При создании ЦТЭ преследуется важнейшая цель - отказы в аппаратных средствах,
ошибки в его ПО и ошибки человека (работника ЦТЭ) не должны приводить к отказам самого центра и ЭС, которые ему подчинены.
С помощью ЦТЭ должно быть обеспечено наблюдение за удаленными ЭС в реальном
времени (на первой фазе реализации, возможно, в режиме относительного времени) и управление эксплуатацией и ТО участков сети электросвязи.
Центры управления сетью (ЦУС). Функции ПУС реализуются центром управления
сетью. Центр управления сетью формирует представление о трафике и эксплуатации сети
электросвязи. В подчинении ЦУС находятся все ЦТЭ, формирующие для него представление
о состоянии первичных и вторичных подсетей. Основная функция ЦУС - оптимизация использования ресурсов сетей электросвязи, на основе информации, получаемой от ЦТЭ в реальном времени.
Повышение эффективности использования ресурсов сети/сетей электросвязи возможно благодаря обзору с высоты ЦУС, возможность которого обеспечивается средствами ЦТЭ
и ЭС. Высокоскоростной обмен ЦУС с объектами нижних уровней об интегральных показателях работы сети/сетей электросвязи позволяет сформировать реальную картину сетевого
трафика и качества предоставляемых услуг. Благодаря этому, в любой момент времени в
ЦУВ возможен охват проблем, возникающих на контролируемой территории. Имея данные о
проблемах в сети, ЦУС может решать следующие задачи:
планировать
топологию
и
реконфигурировать
сеть
на
основе
мониторинга ее характеристик;
перераспределять ресурсы сети для повышения качества услуг;
оказывать
помощь
техническому
персоналу
для
повышения
оперативности реагирования на отказы и перегрузки и минимизации времени восстановления работоспособности объектов с отказами.
Центр управления услугами (ЦУУ). Функции ПУУ возлагаются на центр управления
услугами (ЦУУ). Функции управления услугами тесно связаны с высшими формами администрирования, т. е. бизнесом. Большинство задач управления услугами и бизнесом относятся к
типу трудно формализуемых. Однако достижения в формализации задач управления ЭС и
96
сетью позволяют совершенствовать технологию административного управления. Объектноориентированное представление о сети электросвязи, обеспечиваемое уровнями сетевого
управления и управления ЭС, создает условия для обоснованного принятия оперативных
решений на уровне ПУУ в условиях усиливающейся конкуренции на рынке услуг электросвязи.
Функции ЦУУ состоят в обеспечении автоматизированной поддержки процессов,
принятия административных решений. Решения принимаются администратором на основе
прагматических критериев, например, таких как: рост доходов, рост количества пользователей (клиентов, заказчиков), снижение эксплуатационных затрат.
Протоколы телекоммуникационных сетей
Для организации эффективного взаимодействия между разнотипными компьютерами
в компьютерных сетях был разработан международный стандарт, в котором описана архитектура взаимодействия открытых систем. Современные компьютерные сети строятся согласно эталонной модели взаимодействия открытых систем и для организации их работы используются специально разработанные для этой цели сетевые протоколы.
Классификация сетевых протоколов
При организации взаимодействия узлов в локальных сетях основная роль отводится
протоколу канального уровня. Однако для того, чтобы канальный уровень мог справиться с
этой задачей, структура локальных сетей должна быть вполне определенной, так, например,
наиболее популярный протокол канального уровня - Ethernet - рассчитан на параллельное
подключение всех узлов сети к общей для них шине - отрезку коаксиального кабеля или
иерархической древовидной структуре сегментов, образованных повторителями. Протокол
Token Ring также рассчитан на вполне определенную конфигурацию - соединение компьютеров в виде логического кольца.
Подобный подход, заключающийся в использовании простых структур кабельных соединений между компьютерами локальной сети, соответствовал основной цели, которую
ставили перед собой разработчики первых локальных сетей во второй половине 70-х годов.
Эта цель заключалась в нахождении простого и дешевого решения для объединения в вычислительную сеть нескольких десятков компьютеров, находящихся в пределах одного здания. Решение должно было быть недорогим, поскольку в сеть объединялись недорогие компьютеры - появившиеся и быстро распространившиеся тогда мини-компьютеры стоимостью
в 10000 - 20000 долларов. Количество их в одной организации было небольшим, поэтому
предел в несколько десятков (максимум - до сотни) компьютеров представлялся вполне достаточным для роста практически любой локальной сети.
Для упрощения и, соответственно, удешевления аппаратных и программных решений
разработчики первых локальных сетей остановились на совместном использовании кабелей
всеми компьютерами сети в режиме разделения времени, то есть режиме TDM. Наиболее явным образом режим совместного использования кабеля проявляется в классических сетях
Ethernet, где коаксиальный кабель физически представляет собой неделимый отрезок кабеля,
общий для всех узлов сети. Но и в сетях Token Ring и FDDI, где каждая соседняя пара компьютеров соединена, казалось бы, своими индивидуальными отрезками кабеля с концентратором, эти отрезки не могут использоваться компьютерами, которые непосредственно к ним
подключены, в произвольный момент времени. Эти отрезки образуют логическое кольцо,
доступ к которому как к единому целому может быть получен только по вполне определенному алгоритму, в котором участвуют все компьютеры сети. Использование кольца как общего разделяемого ресурса упрощает алгоритмы передачи по нему кадров, так как в каждый
конкретный момент времени кольцо занято только одним компьютером.
Использование разделяемых сред (shared media) позволяет упростить логику работы
сети. Например, отпадает необходимость контроля переполнения узлов сети кадрами от многих станций, решивших одновременно обменяться информацией. В глобальных сетях, где
отрезки кабелей, соединяющих отдельные узлы, не рассматриваются как общий ресурс, та97
кая необходимость возникает, и для решения этой проблемы в протоколы обмена информацией вводятся весьма сложные процедуры управления потоком кадров, предотвращающие
переполнение каналов связи и узлов сети.
Использование в локальных сетях очень простых конфигураций (общая шина и кольцо) наряду с положительными имело и отрицательные последствия, из которых наиболее неприятными были ограничения по производительности и надежности. Наличие только одного
пути передачи информации, разделяемого всеми узлами сети, в принципе ограничивало пропускную способность сети пропускной способностью этого пути (которая делилась в среднем на число компьютеров сети), а надежность сети - надежностью этого пути. Поэтому по
мере повышения популярности локальных сетей и расширения их сфер применения все
больше стали применяться специальные коммуникационные устройства - мосты и маршрутизаторы, - которые в значительной мере снимали ограничения единственной разделяемой
среды передачи данных. Базовые конфигурации в форме общей шины и кольца превратились
в элементарные структуры локальных сетей, которые можно теперь соединять друг с другом
более сложным образом, образуя параллельные основные или резервные пути между узлами.
Тем не менее, внутри базовых структур по-прежнему работают все те же протоколы
разделяемых единственных сред передачи данных, которые были разработаны более 15 лет
назад. Это связано с тем, что хорошие скоростные и надежностные характеристики кабелей
локальных сетей удовлетворяли в течение всех этих лет пользователей небольших компьютерных сетей, которые могли построить сеть без больших затрат только с помощью сетевых
адаптеров и кабеля. К тому же колоссальная инсталляционная база оборудования и программного обеспечения для технологий Ethernet и Token Ring способствовала тому, что сложился следующий подход: в пределах небольших сегментов используются старые протоколы
в их неизменном виде, а объединение таких сегментов в общую сеть происходит с помощью
дополнительного и достаточно сложного оборудования.
В последние несколько лет наметилось движение к отказу от разделяемых сред передачи данных в локальных сетях и переходу к применению активных коммутаторов, к которым конечные узлы присоединяются индивидуальными линиями связи. В чистом виде такой
подход предлагается в технологии АТМ (Asynchronous Transfer Mode), а в технологиях, носящих традиционные названия с приставкой switched (коммутируемый): switched Ethernet,
switched Token Ring, switched FDDI, обычно используется смешанный подход, сочетающий
разделяемые и индивидуальные среды передачи данных. Чаще всего конечные узлы соединяются в небольшие разделяемые сегменты с помощью повторителей, а сегменты соединяются друг с другом с помощью индивидуальных коммутируемых связей.
Существует и достаточно заметная тенденция к использованию в традиционных технологиях так называемой микросегментации, когда даже конечные узлы сразу соединяются с
коммутатором индивидуальными каналами. Такие сети получаются дороже разделяемых или
смешанных, но производительность их выше.
При использовании коммутаторов у традиционных технологий появился новый режим работы - полнодуплексный (full-duplex). В разделяемом сегменте станции всегда работают в полудуплексном режиме (half-duplex), так как в каждый момент времени сетевой
адаптер станции либо передает свои данные, либо принимает чужие, но никогда не делает
это одновременно. Это справедливо для всех технологий локальных сетей, так как разделяемые среды поддерживаются не только классическими технологиями локальных сетей
Ethernet, Token Ring, FDDI, но и всеми новыми - Fast Ethernet, 100VG-AnyLAN, Gigabit
Ethernet.
В полнодуплексном режиме сетевой адаптер может одновременно передавать свои
данные в сеть и принимать из сети чужие данные. Такой режим несложно обеспечивается
при прямом соединение с мостом/коммутатором или маршрутизатором, так как вход и выход
каждого порта такого устройства работают независимо друг от друга, каждый со своим буфером кадров.
Сегодня каждая технология локальных сетей приспособлена для работы как в полудуплексном, так и полнодуплексном режимах. В этих режимах ограничения, накладываемые
98
на общую длину сети, существенно отличаются, так что одна и та же технология может позволять строить весьма различные сети в зависимости от выбранного режима работы (который зависит от того, какие устройства используются для соединения узлов - повторители или
коммутаторы). Например, технология Fast Ethernet позволяет для полудуплексного режима
строить сети диаметром не более 200 метров, а для полнодуплексного режима ограничений
на диаметр сети не существует. Поэтому при сравнении различных технологий необходимо
обязательно принимать во внимание возможность их работы в двух режимах. В данной главе
изучается в основном полудуплексный режим работы протоколов, а полнодуплексный режим рассматривается в следующей главе, совместно с изучением коммутаторов.
Несмотря на появление новых технологий, классические протоколы локальных сетей
Ethernet и Token Ring по прогнозам специалистов будут повсеместно использоваться еще по
крайней мере лет 5-10, в связи с чем знание их деталей необходимо для успешного применения современной коммуникационной аппаратуры. Кроме того, некоторые современные высокопроизводительные технологии, такие как Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, в значительной
степени сохраняют преемственность со своими предшественниками. Это еще раз подтверждает важность изучения классических протоколов локальных сетей, естественно, наряду с
изучением новых технологий.
Протоколы транспортного уровня
Сетевой уровень предоставляет услуги транспортному, который требует от пользователей запроса на качество обслуживания сетью.
После получения от пользователя запроса на качество обслуживания транспортный
уровень выбирает класс протокола, который обеспечивает требуемое качество обслуживания.
Качество обслуживания сети зависит от ее типа, доступного конечному пользователю,
а также от транспортного уровня. МСЭ-Т, ISO, ECMA определяют три типа сетей:
а) сети, обеспечивающие приемлемые уровни ошибок и сигнализации об ошибках
(приемлемое качество);
б) сети, обеспечивающие приемлемый уровень ошибок и неприемлемо слабую сигнализацию об ошибках;
с) сетевые соединения, представляющие неприемлемый уровень ошибок для пользователя (ненадежные сети).
При существовании разных типов сетей транспортный уровень позволяет установить
следующие параметры качества обслуживания:
1) пропускная способность;
2) надежность сети;
3) задержка передачи информации через сеть;
4) приоритеты;
5) защита от ошибок;
6) мультиплексирование;
7) управление потоком;
8) обнаружение ошибок.
Транспортный уровень отвечает за выбор соответствующего протокола, обеспечивающего требуемое качество обслуживания на сети.
Примером протоколов транспортного уровня могут служить протокол МСЭ-Т
(МККТТ) Х.224 - «Спецификация протокола транспортного уровня взаимосвязи открытых
систем для применения МККТТ» и стандарт ISO 8073 «Системы обработки информации.
Взаимосвязь открытых систем. Спецификация протоколов транспортного уровня».
Стандарты протоколов сетевого уровня
Широко используемыми стандартами сетевого уровня являются протоколы:
Х.25, разработанный МСЭ-Т для сетей с коммутацией пакетов;
стандарты IPX/SPX, разработанные фирмой «Novell»;
TCP/IP (Transmission Control Protocol/ Internet Protocol), разработанный в конце 60-х
годов XX в. для глобальной сети Агентства по передовым исследовательским проектам ми99
нистерства обороны США. В настоящее время используется в глобальной сети Internet и в
локальных сетях предприятий и учреждений, базирующихся на протоколах TCP/IP и называющихся intranet.
Х.25 трехуровневый, включает в себя физический, канальный и сетевой уровни моделей ISO.
В качестве физического уровня в Х.25 рассматривается стандарт Х.21, в котором
описывается интерфейс физического уровня между ООД (компьютером) и АПД (модемом).
В некоторых странах вместо Х.21 применяется стандарт Х.21 Bis, который аналогичен
стандартам V.24 и RS232-C. Подключение к компьютеру устройств через интерфейс RS232C производится с использованием 25- или 9-контактного разъема с обратной стороны системного блока.
Физический уровень Х.25 не осуществляет функций контроля за качеством передаваемой информации.
Протоколы канального уровня Х.25 - LAP и LAPB являются подмножествами протокола HDLC. В кадре протокола LAP или LAPB транспортируется пакет сетевого уровня
стандарта Х.25.
Канальный уровень с протоколом LAP применяется на практике редко.
При рассмотрении сетевого уровня Х.25 различают дейтаграммное и виртуальное соединения:
дейтаграммное имеет пакет с адресами получателя и отправителя, который проходит
через
сеть
от
отправителя
до
получателя
по
своему произвольному маршруту и, путешествуя от узла к узлу, доходит до получателя;
виртуальное
представляет
собой
несколько
последовательно
соединенных
логических
каналов.
Логический
канал
обеспечивается
путем мультиплексирования физической линии, соединяющей пакетное ООД с центром
коммутации пакетов (ЦКП) или два ЦКП между собой.
На рис. 51 приведен в качестве примера формат пакета Х.25 транспортирующего информацию через установленное ранее виртуальное соединение. В каждом физическом соединении возможна организация
16  256 = 4096 логических каналов, где 16 - количество групп логических каналов и 256 - число логических каналов в группе.
Номер группы логического канала и номер логического канала в группе представляют
собой идентификатор логического канала.
В поле «данные пользователя» передаются блоки протокола транспортного уровня.
Рис. 51
Q - бит идентификации пакета; D - бит подтверждения доставки;
Р(R) - порядковый номер приема; P(S) - порядковый номер передачи; М - бит конца передачи: 0
- дальше пойдут данные, 1 -последний пакет
Порядок установления виртуального соединения:
1. От источника передается пакет «Запрос соединения». Этот запрос проходит через
всю сеть, на любом участке сети может быть использован любой логический канал из возможных 4096. Когда этот пакет придет к получателю, то этот путь будет зафиксирован, т.е.
будет записано в ЦКП, что определенные логические каналы закреплены за данным вирту100
альным соединением, следовательно, они другому виртуальному соединению присвоены не
будут.
2. Затем по этой трассе будут передаваться пакеты «Данные ООД».
3. После окончания процедуры обмена данными через этот же виртуальный канал посылается «Запрос разъединения». После того как этот пакет пройдет через сеть, виртуальный
канал прекращает свое существование.
Для облегчения передачи информации через сеть ПД с Х.25 от неинтеллектуальных
терминалов (асинхронных телеграфных аппаратов и т. д.) применяются средства сборкиразборки пакетов (СРП или PAD - packet assembled disassembled).
Работа средств сборки-разборки пакетов описывается в стандартах:
Х.З - средство сборки/разборки пакетов (СРП) в сети данных общего пользования;
Х.28 - стык ООД/АКД для стартстопного - оконечного оборудования данных, имеющего доступ к средству сборки-разборки пакетов (СРП) в сети данных общего пользования в
пределах одной страны;
Х.29 - процедуры обмена управляющей информацией и данными пользователя между
средствами сборки-разборки пакетов (СРП) и пакетным ООД или другим СРП.
Для пользователей, которые работают в двух различных сетях с коммутацией пакетов
по Х.25 взаимодействие для совместного использования ресурсов и обмена данными осуществляется с использованием протокола Х.75. Протокол Х.75 подобен Х.25, имеет те же
свойства, логические каналы, коммутируемые виртуальные каналы, некоторые управляющие
пакеты аналогичны Х.25.
Технологии построения цифровых сетей связи
Наибольшую известность в мире локальных сетей получили Arcnet, Ethernet и TokenRing. Главное различие между ними заключается в методах доступа к каналам передачи данных и скоростях передачи информации. На сегодняшний день широко распространяются и
высокоскоростные технологии АТМ и Frame Relay.
Сетевая технология АТМ
Сеть ATM имеет звездообразную топологию. Типичная сеть ATM строится на основе
одного или нескольких коммутаторов, являющихся неотъемлемой частью данной коммуникационной структуры. Простейший пример такой сети - один коммутатор, обеспечивающий
коммутацию пакетов данных, и несколько оконечных устройств, которые одновременно могут выполнять функции как приемников, так и передатчиков информации. Каждое оконечное
устройство имеет свой собственный выделенный физический канал в коммутаторе, что обеспечивает возможность обмена информацией между устройствами с использованием полной
ширины полосы конкретного канала.
Реализация таких важных принципов как однородность среды сетевого взаимодействия и прозрачность для пользовательских приложений позволяет строить ATM-сети с использованием одних только коммутаторов, исключая мосты и маршрутизаторы. Маршрутизация пакетов осуществляется внутри коммутаторов со скоростью 155 Мбит/с на порт. Такая
скорость гарантируется для всех устройств, подключенных к коммутатору.
Ячейки ATM. ATM - это метод передачи информации между устройствами в сети
маленькими пакетами фиксированной длины, названными ячейками (cells). Фиксация размеров ячейки имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с пакетами переменной
длины. Во-первых, ячейки фиксированной длины требуют минимальной обработки при операциях маршрутизации в коммутаторах. Это позволяет максимально упростить схемные решения коммутаторов при высоких скоростях коммутации. Во-вторых, все виды обработки
ячеек по сравнению с обработкой пакетов переменной длины значительно проще, так как отпадает необходимость в вычислении длины ячейки. И, наконец, в-третьих, в случае применения пакетов переменной длины передача длинного пакета данных могла бы вызвать задержку выдачи в линию пакетов с речью или видео, что привело бы к их искажению.
101
Выбор длины ячейки определялся исходя из допуска на задержку распространения
через сеть речевых сигналов. Ячейки большой длины лучше используют полосу пропускания
канала связи, так как при этом в сеть передается меньше заголовков ячеек. Однако длинные
пакеты дольше копятся на входе в сеть. С учетом возможной миграции пакетов между сетями ATM и с учетом рекомендаций расчетный размер содержательной части ячейки оказался
в диапазоне от 32 до 64 байт. Представители США в МСЭ-Т отстаивали длину 64 байта, а
представители Европы - 32 байта. Сошлись на «золотой середине» - 48 байт. С учетом пяти
байт заголовка полная длина ячейки составила 53 байта.
Модель ATM имеет четырехуровневую структуру. Обычно различают следующие
уровни: пользовательский (User Layer) - включает уровни начиная с сетевого и выше
(IPX/SPX или TCP/IP), адаптации (ATM Adaptation Layer -AAL), ATM (ATM Layer) и физический (Physical Layer)
Пользовательский уровень обеспечивает создание сообщения, которое должно быть
передано в сеть ATM и соответствующим образом преобразовано.
Уровень адаптации (AAL) обеспечивает доступ пользовательских приложений к коммутирующим устройствам ATM, так как многие приложения не имеют прямого доступа к
сервису ATM. Данный уровень формирует стандартные ATM-ячейки и передает их на уровень ATM для последующей обработки. Уровень адаптации в свою очередь состоит из двух
подуровней: преобразования, обеспечивающего синхронизацию для различных классов обслуживания и подготовку пакетов для сегментации, и разборки-сборки пакетов большой
длины, где происходит разбиение больших пакетов на стандартные 48-байтные ячейки ATM
(без учета пяти байт заголовка). Последний подуровень гарантирует, что ни один пакет нестандартной длины не будет отправлен на уровень ATM.
Уровень ATM занимается обменом с физическим уровнем и отвечает за создание ячеек ATM. Он принимает 48-байтные пакеты, сформированные на уровне адаптации, добавляет к ним пятибайтный заголовок и передает их в сеть. На этом уровне устанавливаются соединения, и происходит мультиплексирование ячеек от разных пользовательских приложений в один выходной порт, а также их демультиплексирование из входного порта в различные приложения или другие порты.
Физический уровень обеспечивает передачу ячеек через разнообразные коммуникационные среды. Данный уровень состоит из двух подуровней - подуровня преобразования
передачи, реализующего различные протоколы передачи по физическим линиям, и подуровня адаптации к среде передачи.
ATM-устройства. Оконечные устройства ATM-сети подключаются к коммутаторам
через интерфейс, называемый UNI (User to Network Interface), - интерфейс пользователя с сетью. UNI может быть интерфейсом между рабочей станцией, ПК, АТС, маршрутизатором
или каким угодно «черным ящиком» и ATM-коммутатором. К примеру, рабочая станция,
подключенная прямо к сети ATM, - это место, где оканчивается и начинается ATM-сеть.
Другими словами, станция имеет сетевой ATM-адаптер, подключенный к коммутатору. Эта
рабочая станция является конечной точкой и включает в себя уровни AAL, ATM и физический. Каждая ATM-сеть может иметь больше одного коммутатора. Коммутаторы соединяются между собой, образуя тем самым сколь угодно разнообразную конфигурацию. Интерфейс
между ATM-коммутаторами называется NNI (Network to Network Interface) -интерфейс между сетями (рис. 52).
102
Рис. 52
Принцип виртуальных соединений. Технология ATM - это транспортный механизм,
ориентированный на установление соединений для передачи разнообразной информации.
Одно из основных отличий ATM от традиционных ЛВС-технологий состоит в том, что в
ATM разработана концепция виртуальных соединений (virtual connection) вместо выделенных физических связей между конечными точками сети. Виртуальное соединение - это
сконфигурированная определенным образом среда между двумя или более конечными
устройствами для передачи информации.
ATM использует принцип виртуальных соединений между конечными точками сети.
Различают два вида соединений: PVC (Permanent Virtual Circuit) - постоянный виртуальный
канал и SVC (Switched Virtual Circuit) - коммутируемый виртуальный канал. PVC представляет собой соединение между конечными точками, которое существует постоянно и может
устанавливаться или разрываться оператором сети вручную. SVC - это тоже соединение
между конечными точками, но устанавливаемое или закрываемое динамически специальными процедурами в ATM-устройствах, участвующих в соединении. Коммутируемые виртуальные соединения динамически устанавливаются и разрываются по требованию программного обеспечения, АТМ-устройств или по другим причинам без вмешательства оператора
ATM-сети. Концепции ATM одинаково применимы как к SVC, так и к PVC. Процессы формирования ячеек ATM и их передачи не различаются для обоих видов соединений. Единственное их отличие состоит в способах установления соединения. ATM использует принципы виртуальных путей (Virtual Path - VP) и виртуальных каналов (Virtual Channel - VC) между конечными точками сети. Они необходимы для одновременной связи одного ATMустройства с несколькими другими устройствами. Виртуальные пути (ВП) и каналы (ВК) используются для идентификации отдельных виртуальных соединений в АТМ-сети. Виртуальные пути нужны для объединения нескольких виртуальных каналов по определенному признаку.
В ATM-сетях каждое оконечное устройство перед началом сеанса связи должно пройти регистрацию в сети для получения адреса и сообщения, что оно включилось в сеть. После
этого сеть будет «знать» местоположение этого устройства и путь, по которому следует передавать сообщение.
Установление предварительного соединения между узлами сети ATM гарантирует не
только передачу, но и прием сообщения адресатом. Без установления соединения сообщение
просто не будет отправлено.
103
Сетевая технология Frame Relay
Frame Relay - это протокол, который описывает интерфейс доступа к сетям быстрой
коммутации пакетов. Он позволяет эффективно передавать крайне неравномерно распределенный во времени трафик и обеспечивает высокие скорости прохождения информации через сеть, малые времена задержек и рациональное использование полосы пропускания.
В отличие от сетей Х.25 по сетям FR возможна передача не только собственно данных, но также оцифрованного голоса.
Согласно семиуровневой модели взаимодействия открытых систем OSI (рис. 53), FR протокол второго уровня. Однако он не выполняет некоторых функций, обязательных для
протоколов этого уровня, но выполняет функции протоколов сетевого уровня.
Рис. 53
В то же время FR позволяет устанавливать соединение через сеть, что в соответствии
с OSI относится к функции протоколов третьего уровня. Выполнение этой функции по протоколу FR аналогично установлению соединения по протоколу Х.25 в том случае, когда используются постоянные виртуальные соединения (Permanent Virtual Circuits - PVC).
Совокупность PVC может быть проложена внутри каждого физического канала. Выбор конкретного PVC - логического маршрута, проложенного через сеть, - определяется значением поля DLCI (Data Link Connection Identifier - идентификатор соединения по звену передачи данных) кадра FR (рис. 54).
Рис. 54
Кадр FR не содержит переменных нумерации передаваемых и подтверждаемых кадров.
Для обращения к ресурсу управления сети в протоколе FR используются кадры со
значением DLCI, равным 0. Следует уточнить, что они используются не для передачи информации от одного абонента сети к другому, а именно как служебные для изменения и мониторинга параметров самой сети.
104
Возможность использования коммутируемых виртуальных соединений (Switched
Virtual Circuits - SVC) в сетях FR описывается факультативными протоколами.
За исключением функции установления соединения, все остальные процедуры, описываемые протоколом FR, укладываются в два уровня модели OSI.
В сетях FR при межузловом обмене информацией ошибочные кадры просто «выбрасываются», их повторная передача средствами самого протокола FR не предусмотрена. Чтобы обеспечить гарантированную и упорядоченную передачу информации, надо использовать
либо протоколы более высоких уровней (например, TCP/IP), либо «приложения» к протоколам FR (например, Q.922).
Специфические механизмы FRAME RELAY. Управление загрузкой сети. Эффективность FR определяется на самом деле не только уменьшением протокольной избыточности. В протоколе реализуются специфические механизмы, управляющие загрузкой сети, которые гарантируют доведение кадров через сеть за определенное время (что позволяет,
например, передавать оцифрованную голосовую информацию) и при этом дают возможность
сети адаптироваться к крайне неравномерному во времени трафику. Эти механизмы отчасти
заменяют процедуру управления потоком в том виде, в котором она определена в HDLCподобных протоколах.
Регулирование загрузкой сети описывается параметрами CIR (Committed Information
Rate - согласованная информационная скорость - измеряется в бит/с) и Bс (Committed burst
size - согласованный импульсный объем переданной информации - измеряется в битах),
назначаемыми для каждого PVC. Обычно CIR меньше, чем физическая скорость подключения пользователя к порту сети FR.
При подключении к сети пользователь обычно получает значения CIR и Вс по каждому PVC. Он может передавать информацию либо с постоянной скоростью, равной CIR, либо
с большей скоростью, но только в течение ограниченного времени, значение которого определяется формулой Т = Bc/CIR.
Если пользователь передает информацию в строгом соответствии с полученными величинами CIR и Вс, а сеть функционирует надежно, то за счет рационального распределения
ресурсов сети передача данных с требуемым качеством гарантируется.
Если пользователь не укладывается в рамки, задаваемые значениями CIR и Вс, то все
«избыточные» кадры передаются сетью с установленным битом DE (Discard Eligible), т.е.
признаком разрешения сброса.
Сброс кадров происходит в том случае, когда в сети возникает перегрузка. Насколько
опасна передача «избыточных» кадров, зависит от организации служб конкретной сети.
Правильно используя механизм управления загрузкой сети, можно оптимальным образом сочетать в одном физическом канале типы трафика, имеющие различные вероятностно-временные характеристики.
Управление потоком. Frame Relay не предусматривает механизма управления потоком информации в том виде, в котором он реализован в HDLC. Кадры управления потоком в
HDLC «разрешают» или «запрещают» передающей стороне дальнейшую передачу.
Вместо этого в кадре FR используются биты FECN (Forward Explicit Congestion Bit бит явной сигнализации переполнения, направляемый вперед - получателю) и BECN
(Backward Explicit Congestion Bit - бит явной сигнализации переполнения, направляемый
назад - источнику). FECN информирует принимающую сторону о перегрузке в сети. На основании анализа частоты поступления FECN-битов приемник дает указание устройству передачи снизить интенсивность передачи. Торможение потока происходит средствами протоколов более высоких, чем FR, уровней (Х.25, TCP/IP и т.п.). BECN посылается на передающую сторону и является рекомендацией немедленно снизить темп передачи. В большинстве типов ООД используется только один из указанных битов.
В общем случае биты FECN и BECN могут игнорироваться. При этом вместо них
применяются неявные (implicit) механизмы регулирования потока, которые реализуются с
помощью средств протоколов более высокого уровня. В TCP/IP, например, применяется в
основном механизм неявной коррекции. Следует уточнить, что в любом случае механизм не105
явной коррекции обладает большей инерционностью, чем механизм явной коррекции. При
неявной коррекции управление потоком может сработать с запозданием, когда ситуация переполнения в сети уже станет критической.
Система межстанционной сигнализации
Известны два способа сигнализации при обмене управляющих устройств сигналами
внутри одной либо разных станций сети: децентрализованный, централизованный.
Понятие об общем канале сигнализации ОКС № 7
Децентрализованный способ используется на электромеханических отечественных
АТС и на сетях с такими станциями. Кроме того, его применяют для передачи служебной
информации внутри цифровых АТС (ЦАТС) и при межстанционной связи ЦАТС с малым
числом линий в пучках.
При централизованной сигнализации применяется групповой сигнальный канал, или
общий канал сигнализации (ОКС).
ОКС - это цифровой канал связи между двумя управляющими устройствами
станций или узлов сети электросвязи с КК, предназначенный для обмена сигнальными
сообщениями.
Первоначально ОКС предназначался только для обмена сообщениями сигнализации в
телефонных сетях. В настоящее время в ОКС могут также передаваться данные пользователей в пакетной форме, информация телеметрии, данные в процессе предоставления интеллектуальных услуг и в целях технической эксплуатации. Эти данные должны передаваться с
более низким приоритетом, чем данные сигнализации. К ОКС должны иметь доступ все
пользователи сети, которые требуют услуги коммутации каналов. С помощью программноаппаратных средств ОКС реализуются следующие функции: выбор маршрута передачи сигнальной информации, защита от ошибок, предотвращение пропаданий, удвоений и столкновений кадров, управление трафиком сигнализации, управление каналом.
В ОКС передаются сигналы управления (регистровые), линейные и информационные
для пучка линий (каналов), предназначенных для пересылки речевой информации или данных. Разумеется, речь идет о пучках линий или каналов цифровых систем передачи, которые
коммутируются на станциях в режиме коммутации каналов.
Преимущества, получаемые при применении ОКС:
- состав сигналов практически не ограничен;
- уменьшается время установления соединения благодаря высокой скорости передачи
информации (от 2400 до 64000 бит/с);
- исключается влияние сигналов речи и данных на передачу сигнальной информации;
- уменьшается объем аппаратных средств станций, так как отпадает необходимость в
использовании согласующих устройств - линейных комплектов;
- повышается верность передачи сообщений благодаря применению помехозащищенного кодирования, решающей обратной связи и повторения информации.
Использование ОКС предпочтительно по сравнению с децентрализованной сигнализацией уже при закреплении за ним 60 каналов передачи речи (или данных) на местных сетях.
Сеть сигнализации (СС) может быть построена по одному из двух способов: связанному и несвязанному.
Сущность первого способа состоит в том, что конфигурация сигнальной сети и сети
каналов передачи речи и данных совпадают (рис. 55). При использовании несвязанного способа конфигурации СС и сети каналов передачи речи и данных либо лишь частично совпадают, либо полностью не совпадают (рис. 56, где ПС - пункт сигнализации).
106
Рис. 55
Рис. 56
Система сигнализации № 7 (или сокращенно - ОКС № 7) предназначена для использования в цифровых сетях связи (в У-ЦСИО, Ш-ЦСИО, в сотовых сетях и сетях передачи
данных с коммутацией каналов).
По ОКС сигналы передаются в виде пакетов. Это означает, что в пунктах сигнализации (ПС) и в каналах сети сигнализации используются методы пакетной коммутации. Информация в звеньях сигнальной сети передается кадрами, называемыми сигнальными единицами (СЕ). Эти СЕ имеют разное назначение и переменную длину.
Сообщение сигнализации может передаваться с помощью нескольких СЕ. Сигнальная
сеть, работающая по протоколу ОКС № 7, может использоваться как транспортное средство
для передачи различных видов информации: сигнальной, обмена между ЭВМ, пунктами сети
передачи данных, узлами коммутации телефонных сетей, элементами интеллектуальной сети. Система сигнализации № 7 может функционировать как по цифровым, так и по аналоговым системам передачи с различными скоростями (от 64 Кбит/с и ниже). Система сигнализации № 7 обеспечивает высокую верность передачи данных, устранение удвоений, пропаданий и состязаний сигнальных единиц. Сигнальные единицы имеют различные назначение
и длину. Длина СЕ выражается в байтах. В ОКС № 7 используются три типа СЕ:
значащие СЕ (ЗНСЕ), их длина может быть от 3 байтов и выше (в национальных сигнальных сетях до 279 байтов);
СЕ состояния звена сигнализации (СЗСЕ), используемые для индикации состояния
оконечных устройств звена сигнализации, их длина равна 1 или 2 байтам;
заполняющие СЕ (ЗПСЕ), которые имеют нулевую длину, т.е. в них нет значимой для
пользователей сети информации.
ЗНСЕ несут сигнальную информацию (СИ), обеспечивающую процесс соединения и
разъединения каналов, используемых для передачи речевой информации и данных между
пользователями цифровой сети (оконечным оборудованием данных (ООД)). СЗСЕ применяется для контроля и управления звеном сигнализации (ввод в работу после включения питания аппаратных средств и восстановление состояния звена сигнализации после устранения
отказа). Данные о состоянии звена сигнализации передаются в поле состояния (ПСО) СЗСЕ,
которое может иметь длину 1 или 2 байта. ЗПСЕ используются для передачи квитанций с
подтверждением безошибочного приема ЗНСЕ, переспроса неправильно переданных СЕ или
в случае отсутствия заявок на передачу ЗНСЕ.
Система сигнализации № 7 должна обеспечить надежную доставку информации по
сигнальной сети. Основное требование к сигнальной сети - передача правильной последовательности СЕ с заданной достоверностью. Эти функции реализуются на 2-м (канальном)
уровне четырехуровневой протокольной модели системы сигнализации № 7.
Протоколы ОКС № 7 охватывают не все функции протокола канала «D» (Рекомендация Х.25 ITU-T), так как были ориентированы для применения на телефонных сетях. Поэтому к программному обеспечению сетевого уровня канала «D» на узлах коммутации добавляют программный модуль, реализующий недостающие функции протоколов ОКС № 7. Добавочные модули программного обеспечения УКК позволяют приблизить сервис ОКС № 7 к
сервису канала «D».
107
Для того чтобы в ЦСИО создавать и разрушать соединения каналов «В», предоставлять пользователям услуги различных служб, УКК должны обмениваться информацией сигнализации. Этот обмен реализуется с помощью средств централизованной системы сигнализации № 7 ITU-T. Информация сигнализации полностью отделяется от информации, передаваемой по каналам «В» между пользователями. Такое разделение позволяет исключить их
взаимное негативное влияние.
Взаимодействие сетей сигнализации и сети информационных каналов пользователей
происходит в процессе соединения информационных каналов по частям (от звена к звену).
Если необходимо установить соединение канала «В» в интерфейсе «пользователь-сеть» с
межстанционным каналом «В», то управляющая система УКК, формирует и передает в сигнальную сеть сообщения для управления коммутацией на УКК. Доступ устройств пользователей ЦСИО к сети обеспечивается с помощью протоколов, определяемых эталонной семиуровневой моделью взаимодействия открытых систем (ВОС).
Управление передачей сообщений в сети каналов передачи информации пользователей и в сигнальной сети описывается сетевыми протоколами. Необходимые скорость и верность передачи сигнальной информации в сигнальной сети обеспечиваются благодаря использованию пакетного способа передачи и коммутации.
Протоколы ОКС № 7
Протоколы системы сигнализации № 7 строятся в соответствии с эталонной моделью
ВОС. Различают: протоколы (подсистемы), ориентированные на пользователей (верхний
уровень архитектуры); протоколы (подсистемы) передачи сообщений (нижний уровень).
В подсистему пользователей могут входить следующие объекты:
подсистема пользователей телефонии;
подсистемы пользователей услуг передачи данных с коммутацией каналов;
подсистемы пользователей ЦСИО (предоставление услуг передачи речи, данных,
изображений);
подсистемы пользователей услуг технического обслуживания (ТО), технической эксплуатации и административного управления (АУ).
Подсистема передачи сообщений (ППС) предоставляет услуги подсистеме пользователей, по доставке информации в сети без соединений (подобно датаграммному способу в
сетях передачи данных). Эти протоколы обеспечивают упорядоченную последовательность
передачи сообщений в соответствии с эталонной моделью ВОС. Протокольная модель ОКС
№ 7 является четырехуровневой (рис. 57).
Подсистема пользователей ЦСИО не требует услуг представления, сеанса и транспорта (требования пользователей ЦСИО по передаче сообщений сигнализации отражены в памяти данных управляющей системы УКК, средства общеканальной сигнализации имеют
непосредственный доступ к этим данным). Другие подсистемы пользователей, требующие
услуг представления, сеанса и транспорта, используют подсистему прикладных услуг (ППУ).
На каком бы уровне не находилась конкретная подсистема пользователей, она получает
услуги по прозрачной передаче данных от ППС. Любой подсистеме пользователей соответствует своя система процедур сигнализации (например, для пользователей телефонных сетей
характерны процедуры установления и разъединения соединений).
Если пользователи требуют установления виртуального соединения для доставки пакетов по способу «из конца в конец», то эту услугу предоставляет подсистема сетевых услуг
(ПСУ). В состав этой подсистемы входят подсистема управления сигнальным соединением
(ПУСС) и ППС.
108
Рис. 57
Функции ППС таковы:
протоколы сетевого (3-го) уровня обеспечивают распределение сообщений и управление сетью сигнализации;
протоколы канального (2-го) уровня обеспечивают управление передачей сообщений
между двумя пунктами сигнализации. Здесь формируется кадр определенного формата (сигнальная единица);
протоколы физического (1-го) уровня обеспечивают управление передачей и приемом
битов информации по тракту передачи данных (определение моментов начала и, окончания
физического соединения, передача блоков данных по физическому каналу, управление каналом).
Связь между двумя концами канала по своей природе асинхронна. Для регулирования
правильного взаимодействия двух концов ОКС необходимо обеспечить следующие меры:
СЕ, принятые с ошибками, должны быть опознаны;
процедура подтверждения должна указывать, приняты ли СЕ правильно;
СЕ должны быть пронумерованы для правильной доставки информации на смежный
вышестоящий уровень;
во всех СЕ должна содержаться фазирующая информация.
Для реализации этих мер в СЕ добавляют управляющие поля.
Сигнальные сообщения создаются верхними уровнями ОКС № 7. Они передаются далее на сетевой (3-й) и далее на канальный (2-й) уровни. В составе СЕ содержится следующая
информация:
сигнальная, полученная от верхнего (4-го пользовательского) уровня;
информация управления передачей, предназначенная для нормального функционирования звеньев сигнализации.
Функции 3-го уровня делятся на две группы:
обработка сигнальных сообщений;
управление сетью сигнализации.
109
В процессе обработки сигнальных сообщений на 3-м уровне реализуются функции
маршрутизации, классификации, распределения. Маршрутизация - это функции выбора исходящего направления и звена в нем для каждого сообщения.
Классификация (селекция, выделение) сообщений необходима для идентификации
пункта назначения сообщения. Если пункт назначения, указанный в принятом сигнальном
сообщении, находится на рассматриваемой ЦАТС сети, то принятое сообщение подлежит передаче к подсистеме пользователя (уровень 4). Если сообщение не относится к данному
пункту, то для него необходимо выбрать маршрут передачи.
Распределение сообщений необходимо для доставки данного сообщения определенной подсистеме пользователей (на 4-м уровне может быть несколько подсистем пользователей: ЦСИО, аналоговой или аналого-цифровой телефонной сети, сети ПД с КК, сети связи с
подвижными объектами и др.). На 3-м уровне объединяются звенья сигнализации, образуя
подсистему передачи сообщений. Управление сетью сигнализации состоит в управлении
нагрузкой и реконфигурацией сети при перегрузке и повреждениях ее элементов. Под реконфигурацией сети подразумевается преобразование маршрута потока сообщений, обеспечивающего обход неисправного или перегруженного элемента сети. В процессе управления
сетью сигнализации реализуются функции управления нагрузкой, маршрутами и звеньями
сигнализации. Под управлением нагрузкой сигнализации понимают ограничение потоков
сообщений для предотвращения перегрузки направлений, звеньев и пунктов сети сигнализации. Под управлением маршрутами сигнализации подразумевают выбор маршрута для
сообщения по какому-либо критерию (например, по кратчайшему пути, по наименьшей загрузке). Под управлением звеньями сигнализации понимают переключение передачи сообщения на резервное звено, например между двумя рассматриваемыми пунктами сети сигнализации. Функции защиты от ошибок в процессе доставки сигнальных сообщений реализуются протоколами канального (2-го) уровня (в терминах ITU-T - протоколами звена сигнализации).
Рис. 58
Функции протоколов звена сигнализации ОКС № 7 таковы (рис. 58):
разделение СЕ с помощью флагов;
защита от ложных флагов;
защита от ошибок вставлением проверочных битов;
защита от ошибок путем повторной передачи СЕ;
обеспечение порядка следования путем нумерации СЕ в цикле;
сохранение порядка следования СЕ с помощью обмена подтверждениями о номере
принятой СЕ;
контроль коэффициента ошибок для обнаружения неисправностей звена сигнализации;
контроль перегрузки звена сигнализации.
110
Сети цифрового телевизионного вещания
В настоящее время телевидение завоевало прочное место в жизни современного человека. Человек получает очень большое количество информации через него. Широко внедряется цифровое телевидение, которое обещает широкие возможности по вещанию разнородного вида информации.
Методы обработки видеоинформации
Для передачи ТВ сигналов по радиоканалам, в принципе, можно использовать как
AM, так и ЧМ. В случае ЧМ для обеспечения высокой помехоустойчивости передачи необходимо, чтобы индекс модуляции тЧМ был равным 3-5. При этом полоса частот fЧМ, занимаемая частотно-модулированным сигналом, будет определяться соотношением:
fЧМ  2 f В  2f D , где f D  mЧМ f В - девиация частоты.
Следовательно, для передачи одного ТВ сигнала потребуется радиоканал с полосой
частот порядка 50-70 МГц. Такое расширение полосы частот радиоканала привело бы к резкому сокращению общего числа передаваемых ТВ сигналов в диапазоне частот, отведенном
для ТВ вещания. В современной сети ТВ вещания для передачи ТВ сигналов по радиоканалам используется только AM, несмотря на более низкую помехоустойчивость и худшие
энергетические показатели радиопередатчиков по сравнению с ЧМ. Основное достоинство
AM заключается в том, что амплитудно-модулированный сигнал занимает сравнительно узкую полосу частот.
Как известно, AM несущей частоты f0 приводит к образованию двух боковых частотных полос - нижней и верхней, каждая из которых равна ширине полосы частот модулирующего сигнала. Если максимальная модулирующая частота fB  6 МГц, что соответствует
верхней частоте ТВ сигнала, то спектр модулированных частот будет равным f0±fB, т.е. займет полосу приблизительно в 12 МГц. Поэтому для возможности передачи модулированного
ТВ сигнала в стандартном радиоканале, имеющем полосу пропускания 8 МГц, нижняя боковая полоса частот модулированного ТВ сигнала частично подавляется, что приводит к устранению избыточности информации в амплитудно-модулированном ТВ сигнале.
Согласно ГОСТ 7845-92 остаток нижней боковой полосы частот составляет 1,25 МГц.
При этом номинальная полоса частот радиоканала, отводимая для передачи непосредственно
ТВ сигнала, составляет 7,625 МГц. Причем ослабление частотных составляющих - 1,25 и
6,375 МГц относительно несущей частоты изображения составляет 20 дБ. Часть спектра
нижней боковой полосы частот шириной 0,75 МГц передается в неискаженном виде. Крутизна склона нижней боковой полосы частот, начинающегося от значения 0,75 МГц ниже
несущей частоты изображения, составляет 40 дБ/МГц. При этом крутизна склона верхней
боковой полосы частот, рядом с которым расположен спектр сигнала звукового сопровождения, оценивается величиной более 50 дБ/МГц. В ТВ приемниках уровень несущей частоты
изображения должен ослабляться на 6 дБ, т.е. в 2 раза, а частотная составляющая 0,75 МГц
нижней боковой полосы должна быть ослаблена на 20 дБ, т.е. в 10 раз, по сравнению с уровнем опорной частоты 1,5 МГц в спектре верхней боковой полосы. При выполнении данных
условий после детектирования ТВ радиосигнала суммарное номинальное напряжение, образующееся на нагрузке детектора от одинаковых частотных составляющих нижней и верхней
боковых полос, на любой частоте спектра в пределах 0-6 МГц всегда будет равно единице,
если отсчет вести в относительных величинах. На практике это означает, что форма результирующей АЧХ тракта передачи ТВ радиосигнала от модулятора радиопередатчика до
нагрузки детектора телевизора будет равномерной в заданной полосе частот 6 МГц.
В каждом стандартном радиоканале шириной 8 МГц кроме ТВ сигнала передается соответствующий ему сигнал звукового сопровождения. Причем радиосигнал звукового сопровождения передается с помощью ЧМ несущей частоты звука, что обеспечивает высокую
помехоустойчивость тракта звукового сопровождения. Максимальная девиация частоты составляет ±50 кГц при номинальной ширине полосы частот, занимаемой радиосигналом звукового сопровождения, не более 0,25 МГц. Для использования общей антенно-фидерной си111
стемы в радиопередающих устройствах и общего усилительного тракта для усиления ТВ
сигнала и сигнала звукового сопровождения в телевизорах принято передавать сигнал звукового сопровождения на несущей частоте, близкой к несущей частоте изображения. В действительности разнос несущих частот звука и изображения составляет 6,5 МГц, причем несущая частота изображения меньше несущей частоты звука. Разные виды модуляции ТВ и
звукового радиосигналов в значительной мере облегчают их разделение в телевизорах. На
практике мощность радиопередатчика звукового сопровождения составляет 10-20 % от мощности ТВ радиопередатчика в моменты передачи синхроимпульсов. Соотношение мощностей радиопередатчиков изображения и звукового сопровождения выбирается из условия создания одинаковых радиусов действия обоих передатчиков при приеме на стандартные ТВ
приемники.
Ввиду униполярности ТВ сигнала возможны два варианта AM радиосигнала: негативная и позитивная в зависимости от полярности модулирующего ТВ сигнала. В большинстве
стран мира, в том числе и в нашей стране, принята негативная полярность модуляции, при
которой максимальному уровню несущей изображения соответствует передача величины
синхроимпульса, а минимальному значению - уровень белого ТВ сигнала. При такой полярности модуляции по сравнению с позитивной импульсные помехи проявляются на ТВ изображении в большинстве случаев в виде темных точек, а не белых, поэтому они визуально
менее заметны. Повышается помехоустойчивость тракта синхронизации ТВ системы по всем
видам помех, кроме импульсных, так как при передаче синхроимпульсов ТВ радиопередатчик излучает максимальную, т.е. пиковую мощность. При негативной полярности модуляции
в телевизорах легче осуществлять автоматическую регулировку усиления (АРУ), так как в
излучаемом радиосигнале, независимо от содержания ТВ изображения, синхроимпульс соответствует максимальной и постоянной величине излучаемой мощности. Кроме того, облегчается конструирование радиопередатчиков, так как средняя излучаемая мощность значительно меньше максимальной, поскольку на ТВ изображениях больше преобладают белые детали. Основной недостаток негативной полярности модуляции заключается в относительно
большем влиянии импульсных помех на устойчивость синхронизации в ТВ приемниках.
Способ установки элементов передающей ТВ антенны ориентирует электрический и
магнитный векторы электромагнитной волны, т.е. определяет плоскость поляризации электромагнитного излучения. Согласно ГОСТ 7845-92 допускается использовать как горизонтальную (вектор электрического поля Е расположен в горизонтальной плоскости), так и
вертикальную поляризацию волн, излучаемых ТВ радиопередатчиком. В свободном пространстве горизонтальная и вертикальная поляризации электромагнитных волн не имеют
друг перед другом каких-либо преимуществ. Однако в реальных условиях, особенно в городах с большим количеством вертикально отражающих объектов, например домов, при горизонтальной поляризации обеспечивается меньший уровень отраженных интерферирующих
волн, которые вызывают замирание сигнала и помехи на ТВ изображении в виде дополнительных контуров. Кроме того, при горизонтальной поляризации наблюдается меньшее воздействие промышленных помех, в частности помех от систем зажигания автотранспорта, которые имеют вертикально поляризованную составляющую.
Наконец, конструкции ТВ антенн с узкими диаграммами направленности для приема
горизонтально поляризованных электромагнитных волн оказываются более простыми, их
легче устанавливать на металлических опорах. Поэтому при организации ТВ вещания в большинстве стран мира предпочтение было отдано горизонтальной поляризации электромагнитного излучения.
Современная ТВ система (рис.59) состоит из двух частей: передающей и приемной,
соединенных линией связи.
112
Рис. 59. Структурная схема ТВ системы
В передающей части системы изображение наблюдаемого объекта с помощью объектива 2 проецируется на передающую трубку 3, находящуюся в передающей ТВ камере 1. Передающая трубка в процессе развертки формирует видеосигнал, который после предварительного усиления в усилителе ТВ камеры 5 поступает в ТВ канал 7. Для ТВ развертки на
отклоняющую систему 4 передающей трубки подаются электрические сигналы пилообразной формы строчной частоты и частоты полей. Эти сигналы вырабатываются в блоке разверток 6 передающей камеры. В ТВ канале происходит дальнейшее усиление видеосигнала,
коррекция его искажений и формирование полного ТВ сигнала, для чего в видеосигнал замешиваются гасящие и синхроимпульсы строк и полей. Эти импульсы заводятся в ТВ канал
от специального генератора импульсов - синхрогенератора 9. Синхрогенератор вырабатывает импульсы, необходимые для работы всей ТВ системы, и обеспечивает строгое соотношение частот между ними. Вырабатываемые синхрогенератором синхроимпульсы обеспечивают синхронность и синфазность разверток приемной и передающей трубок. Поскольку блок разверток передающей трубки находится непосредственно в передающей камере, то
кадровые и строчные синхроимпульсы отдельно подводятся к соответствующим генераторам
блока разверток непосредственно от синхрогенератора. Необходимая для синхронизации
блока разверток приемной трубки смесь синхроимпульсов передается вместе с видеосигналом.
Сформированный и усиленный полный ТВ сигнал поступает на модулятор радиопередатчика 8, где модулирует его несущую частоту, а затем в виде высокочастотных колебаний поступает в передающую антенну.
Принятые приемной антенной радиосигналы непосредственно поступают в ТВ приемник. Современные ТВ приемники строятся только по супергетеродинной схеме. В телевизорах применяется совместное усиление высокочастотным трактом сигналов изображения и
звукового сопровождения с последующим их разделением и дополнительным усилением. В
зависимости от точки разделения сигналов усилительный тракт ТВ приемника строится по
одному из двух вариантов, называемых одноканальным и двухканальным.
Одноканальная схема предполагает общее усиление на промежуточной частоте ТВ
сигнала и сигнала звукового сопровождения (см. рис. 59). Поэтому в высокочастотной части
телевизора 10 осуществляются выбор соответствующего канала, предварительное усиление
радиосигналов и их частотное преобразование в промежуточные частоты изображения (38
МГц) и звукового сопровождения (31,5 МГц). Оба сигнала после преобразования усиливаются одним многокаскадным усилителем промежуточной частоты 11, который имеет достаточно широкую полосу пропускания, а затем детектируются амплитудным детектором 12.
Видеодетектор представляет собой нелинейный элемент и выполняет функцию простейшего
преобразователя. Поэтому на его входе, кроме видеоспектра, образуется также сигнал частоты биений между промежуточными несущими частотами изображения и звукового сопро113
вождения. Разностный сигнал с частотой =38-31,5 МГц модулирован по частоте и амплитуде.
Полезная информация, соответствующая сигналу звукового сопровождения, определяется
ЧМ сигнала разностной частоты.
Основное преимущество одноканальной схемы ТВ приемника состоит не только в отсутствии необходимости иметь отдельные гетеродины и смесители для сигналов изображения и звука, но и в том, что отсутствует нестабильность настройки сигнала звукового сопровождения, связанная с изменением частоты гетеродина в блоке 10. В данном случае отклонение частоты генератора высокочастотного блока телевизора от номинала приводит к равному
изменению промежуточных частот видеосигнала и сигнала звука, а разностная частота, равная 6,5 МГц, остается неизменной. На разностную частоту настроены усилитель промежуточной частоты звука, амплитудный ограничитель и частотный детектор, входящие в канал
звукового сопровождения 13. Кроме того, в блок 13 входит усилитель низкой частоты, с выхода которого усиленный сигнал звуковой частоты подается на акустическую систему 14.
Усиленный видеоусилителем 15 полный ТВ сигнал подается на блок цветности 16, в
котором формируются видеосигналы основных цветов, подводимые к цветному кинескопу
17.
С выхода видеоусилителя сигнал поступает также в канал синхронизации 18, в котором обеспечивается отделение синхроимпульсов от видеосигнала и разделение кадровых и
строчных синхроимпульсов. Далее эти импульсы синхронизируют задающие генераторы
блоков кадровой 19 и строчной 20 разверток электронных лучей кинескопа соответственно.
Формируемые генераторами разверток отклоняющие токи подаются на отклоняющую систему кинескопа. Кроме того, выходной каскад генератора строчной развертки одновременно служит источником высокого напряжения для питания кинескопа, которое получается путем выпрямления импульсов строчной частоты, образуемых в обмотке автотрансформатора
этого каскада.
В современных ТВ приемниках используются автоматические регулировки ряда параметров, например, яркости, размера растра. Блоки 10, 11 приемника, как правило, охвачены схемой АРУ, обеспечивающей поддержание выходного уровня видеосигнала как при переходе приема с одной программы на другую, так и при изменении условий распространения
радиоволн и других факторов, влияющих на величину видеосигнала.
Стандарты цифрового телевизионного вещания
Ближайшее будущее большинства систем ТВ вещания заключается в переходе на
цифровые технологии. Первыми примерами цифровых систем передачи ТВ сигналов явились спутниковые линии связи, в которых стал использоваться стандарт сжатия спектра ТВ
сигналов MPEG-2, позволяющий по одному стандартному спутниковому каналу передавать
несколько ТВ программ при условии их приема в первую очередь головными станциями систем кабельного телевидения.
Внедрение цифрового телевидения, в первую очередь, было ознаменовано созданием
унифицированного оборудования аппаратно-студийных комплексов (АСК), использующих
единый (мировой) стандарт цифрового кодирования, который со временем вытеснит несовместимые между собой стандартные системы цветного телевидения SEC AM, PAL, NTSC.
На выходе таких комплексов временно устанавливаются цифроаналоговые преобразователи
(ЦАП) для получения стандартных ТВ сигналов перечисленных выше систем, так как излучать радиосигналы вещательного телевидения в переходный период предполагается и в аналоговом, и в цифровом виде. В пределах АСК цифровые сигналы обрабатываются по единой
технологии, при этом обеспечивается высокая стабильность параметров оборудования, которое сможет работать в бесподстроечном режиме.
Технологическими лидерами в области цифрового ТВ вещания являются страны Европейского Союза, США и Япония. В 1993 г. европейской группой вещательных, промышленных и законодательных организаций был учрежден Project DVB (проект цифрового видеовещания Digital Video Broadcasting).
Одним из фундаментальных решений, принятых в период функционирования Project
DVB, был выбор алгоритма MPEG-2 для системного уровня, т.е. для кодирования источни114
ков аудио- и видеоинформации, а также для создания элементарных программных и транспортных потоков.
Стандарты, разработанные в рамках Project DVB, применяются в системах цифрового
аудио- и видеовещания и передачи данных по спутниковым, кабельным и наземным сетям и
определяют соответствующие системные рекомендации для кабельного (DVB-C), наземного
(DVB-T) и спутникового (DVB-S) ТВ вещания. Европейский стандарт наземного цифрового
ТВ вещания предусматривает использование модуляции типа OFDM (Orthogonal Frequency
Division Multiplexing -частотное уплотнение с ортогональными несущими). В случае модуляции типа OFDM поток данных передается с помощью большого числа несущих. Подобно
квадратурной модуляции, способ OFDM использует ортогональные несущие, но в отличие от
квадратурной модуляции частоты этих несущих не являются одинаковыми, они расположены в некотором диапазоне частот, отведенном для передачи данных путем модуляции, и
кратны некоторой основной частоте. В качестве первичного метода модуляции отдельных
несущих могут использоваться квадратурная амплитудная модуляция типа 16-QAM или
64-QAM (Quadrature Amplitude Modulation), а также QPSK (Quadrature Phase Shift Keying четырехпозиционная фазовая манипуляция).
На американском континенте главенствующую роль в разработке стандартов на цифровое ТВ вещание принадлежит Комитету по усовершенствованным системам телевидения ATSC (Advanced Television Systems Committee). Разработанный этим комитетом стандарт на
наземное цифровое ТВ вещание ATSC в части кодирования и структурирования информации
также основывается на алгоритме MPEG-2, но принципиально отличается от Project DVB по
методам модуляции и обработки радиосигнала, кодирования звука и программной навигации, что было сделано исходя из особенностей построения сети наземного ТВ вещания
США. В стандарте ATSC используется многоуровневая амплитудная модуляция с частично
подавленной несущей и боковой полосой частот (VSB-Vestigial Side Band).
В Японии разработана концепция цифрового ТВ вещания с интеграцией служб ISDB
(Integrated Services Digital Broadcasting), которая является общей для наземных спутниковых
и кабельных сетей. Причем стандарты ISDB-T и DVB-T во многом схожи, отличие заключается в возможности в системе ISDB-T использовать для передачи информации нескольких
разнесенных полос частотного спектра.
Стратегия перехода от аналогового к цифровому ТВ вещанию в Российской Федерации определяется специально разработанной в 1999 году «Концепцией внедрения цифрового
телевидения и звукового вещания в России», рассчитанной до 2015 г. В соответствии с принятой «Концепцией ...» на первом этапе цифровое вещание реализуется в отдельных опытных зонах (г.г. Москва, Санкт-Петербург, Нижний Новгород), где имеется возможность проверить эффективность работы системы цифрового ТВ вещания совместно со средствами
аналогового телевидения, связи, компьютерными информационными службами. Анализ
международных стандартов и результатов отечественных испытаний системы наземного
цифрового ТВ вещания позволяет разработать временные нормы и адаптировать международные стандарты цифрового телевещания для России. На втором этапе должны быть разработаны и утверждены стандарты цифрового вещания и выработаны предложения по промышленному выпуску ТВ оборудования и массовому внедрению цифрового ТВ вещания в
нашей стране.
По результатам предварительных исследований для цифрового наземного ТВ вещания
в Российской Федерации намечено использовать ТВ каналы 42, 48 и выше 52-го.
Введение в эксплуатацию цифровых ТВ систем обеспечит значительное улучшение
качества изображения и звукового сопровождения, позволит телевидению эффективно взаимодействовать с различными цифровыми системами связи, а также с компьютерными сетями. Цифровое телевидение во многом будет определять качество жизни людей в XXI веке.
115
Уровни передачи
В технике связи для оценки мощности, напряжения и тока сигналов принято пользоваться не их абсолютными значениями (ватт, вольт, ампер), а относительными логарифмическими величинами, называемыми уровнями. Целесообразность применения уровней:
потери энергии в линии описывается логарифмическими законами;
чувствительность органов слуха к силе звукового давления подчиняется логарифмическому закону;
порядок логарифмических величин более низкий, действия умножения и деления заменяются сложением и вычитанием, что упрощает расчеты.
Абсолютные уровни
Абсолютным уровнем мощности (напряжения, тока) называется отношение активной мощности сигнала (напряжения, тока) в измеряемой точке цепи передачи к активной
мощности 1 мВт (напряжению 775 мВ, току 1,29 мА), выраженное в логарифмических единицах:
P [ МВт ]
PM  10 lg x
, [дБ ] ;
1 МВт
1 P [ МВт ]
PM  ln x
, [ Нп ] ;
2
1 МВт
U [ мВ ]
PН  20 lg x
, [дБ ] ;
1 мВ
U [ мВ ]
PН  ln x
, [ Нп ] ;
1 мВ
I [ мА]
PI  20 lg x
, [дБ ] ;
1,29 мА
I [ мА]
PI  ln x
, [ Нп ] ;
1,29 мА
где: Рх - полная мощность в рассматриваемой точке цепи;
Uх, Iх - действующие значения напряжения и тока в данных
точках
цепи;
1 мВт; 775 мВ; 1,29 мА - мощность, напряжение и ток, принятые за единичные.
U2
Найдем связь между Рм и Рн. Учитывая, что P 
= 7752/600,
, а 1 мВт =
R
2
P
U * 600
U
600
 = 10 lg
то получим Pм  10 lg
 20 lg
 10 lg
, т. к. .
2
1мВт
775
R
R * 775
По известным значениям абсолютных уровней можно найти действующие значения:
мощности
напряжения
Рх  100,1*РМ мВт ; ;
U x  775 *100.05*РН мВ ;
I x  1.29 *100.05*PI мА.
тока
Зависимость между децибелами и неперами: 1 Нп = 8,69 дБ; 1 дБ = 0,115 Нп.
Относительные уровни
Для оценки изменения мощности и напряжения сигнала по тракту передачи используются относительные уровни мощности и напряжения.
116
Относительным уровнем мощности называется отношение мощности в измеряемой
точке тракта передачи к мощности сигнала в начале тракта или в точке, условно принятой за
начало, выраженное в логарифмических единицах.
В качестве примера рассмотрим некоторый тракт передачи (рис. 60), состоящий из
следующих каскадно-включенных четырехполюсников:
Б
А
I1U1
I 2U 2
Р1
Р2
Рис. 60. Пример тракта передачи
В данном случае значения I2, U2, P2 в рассматриваемой точке (Б) сравниваются с I1,
U1, P1 в точке (А) тракта, условно принятой за начало отсчета, т. е.:
P
1 P
РОМ  10 lg 2 дБ 0 м; РОМ  ln 2 Нп 0 м;
Р1
2 P1
U
1 P
РОН  10 lg 2 дБ 0 м; РОН  ln 2 Нп 0 м.
U1
2 P1
Следует отметить, что точка, принимаемая за начало отсчета, может выбираться в
любом месте, но, как правило, на входе. Относительные уровни можно выразить через абсолютные, т. е.:
P
P2
P1
РОМ  10 lg 2  10 lg
 10 lg
 РМ 2  РМ 1 .
Р1
1мВт
1мВт
Аналогично:
РОН  РН 2  РН 1 .
Измерение уровней
Что такое один Нп.
Один Нп - это затухание такой цепи, в конце которой амплитуда тока или напряжение
в 2,72 раза меньше амплитуды тока или напряжения в начале цепи, а мощность уменьшается
в 7,4 раза.
В практике измеряются только абсолютные уровни напряжения Рн.
Абсолютные уровни мощности Рм и РI вычисляются по известным формулам.
Абсолютные уровни измеряются при помощи измерителей уровня (ИУ).
Измерители уровня представляет собой чувствительный вольтметр переменного тока,
шкала которого градуирована не в вольтах, а в величинах: 20 lg
U
U
или ln
.
775
775
Измерители уровня подразделяются на широкополосные, которые измеряют уровень
напряжения синусоидального колебания при отсутствии других колебаний, и избирательные,
позволяющие выделить измеряемое синусоидальное колебание из смеси сигналов и помех.
Измерение абсолютных уровней осуществляется по одной из следующих схем.
117
1. ИУ может быть подключен параллельно цепи передачи (рис. 61), т.е. когда нагрузкой предшествующего четырёхполюсника (Rвых) является входное сопротивление (Rвх) последующего. В этом случае вход ИУ должен быть высокоомным, т.е.:
4-х
пол.
ИГ
ИУ
Rвых = Rиу
Рис. 61. Схема измерения при параллельном подключении ИУ к цепи передачи
2. В схеме, когда сам ИУ является нагрузкой (рис. 62), т.е. когда требуемое сопротивление нагрузки четырёхполюсника (Rвых) соответствует одному из номиналов входных сопротивлений ИУ (Rиу), т.е. (Rвых) = (Rиу).
RВЫХ
RВХ
4-х
пол.
ИГ
4-х
пол.
ИУ
RВЫХ=RИУ
Рис. 62. Схема измерения, когда ИУ сам является нагрузкой
Заметим, что в диапазоне рабочих частот входные (выходные) сопротивления отдельных четырехполюсников каналообразующей аппаратуры связи можно считать активными.
Методы измерения рабочего затухания (усиления)
Измерения рабочего затухания (усиления) производятся с использованием следующих формул:
Z
a p  P0  P1  10 lg н [дБ ];
Zг
S p  P1  P0  10 lg
Zн
[дБ ].
Zг
Схема измерений, в которой выполняется условие Z г  Z вх , называют «схемой с известным генератором».
Если Z г  Z вх , то для измерений применяют схему представленную на рис. 3.
В целях упрощения измерений измерительная аппаратура и
4хполюсники рассчитываются, как правило, на сопротивления 75; 135; 150 и 160 Ом.
Таким образом, в большинстве случаев, внутреннее сопротивление ИГ можно обеспечить равным требуемой величине.
Рабочее затухание и усиление измеряют одним из 2-х методов:
118
а) метод разности уровней;
б) метод сравнения.
Метод разности уровней с использованием известного генератора (рис.64).
4-х
пол.
ИГ
Ро
1
1-4
ИУ
2
МЗ
Рис. 64. Схема измерений с использованием метода разности уровней с применением известного генератора
В этом случае рабочее затухание и усиления измеряются одинаково и в 2 приема.
Вначале с помощью ИГ устанавливается требуемый уровень Р0. Затем ИУ включается на выход измеряемого четырехполюсника и измеряется уровень Рн. Искомое рабочее затухание
(усиление) вычисляется по формулам:
Z
a p  P0  Pн  10 lg н [дБ ];
Zг
S p  Pн  P0  10 lg
Zн
[дБ ].
Zг
В большинстве случаев Z н  Z г , тогда
а р  Р0  Рн , дБ ;
S р  Рн  Р0 , дБ .
Еще обратим внимание на то, что данный метод применяется в эксплуатационной
практике при измерении электрических параметров каналов и трактов.
Точность измерений при этом методе определяется погрешностью ИУ, которая составляет ± 1 дБ (0,1 Нп).
Данный метод позволяет измерять 4-хполюсники, входы и выходы которых находятся
в разных местах (канал связи).
Метод сравнения
Измеритель уровня в схеме выполняет роль индикатора.
Схема измерений имеет вид, который представлен на рис. 65:
сигналы контроля,
информационные
символы при
отрицательном
согласовании
скоростей
символы
команды
согласования
скоростей
Ро
ZГ
4-х
пол.
Zвх
ИУ
Рн
Zвых
ZИГ
3-й
2-й
1-й
и
и
и
сл
Рис. 65. Схема измерений с использованием метода сравнения
ди
и
цс
4
119
Измерение: сдвоенный ключ переводится в верхнее (1) положение и измеряется уровень Р1, затем переводится в нижнее положение (2) для измерения Р2.
Если показания прибора ИУ отличаются друг от друга, то на МЗ, подбирая затухание,
добиваются равенства Р1 = Р2, т.е. показания прибора остаются неизменными при переводе
из одного положения в другое.
При измерении Р1 - Р2 = Р0 + амз, но учитывая, что Р1 = Р2, получим окончательно
Z
а р  а мз  10 lg н .
Zг
В частном случае, когда Rн=Rг измеренное рабочее затухание численно оказывается
ранним а = амз.
Метод сравнения является более точным. Погрешность измерений определятся точностью магазина затуханий. Обычно точность магазина затуханий составляет 0,1 дБ
(0,01Нп).
Типовые каналы передачи и групповые тракты МКСП и их
характеристики
основные
Классификация и характеристика типовых каналов передачи и типовых групповых
трактов
В аналоговых сетях организуются следующие типовые групповые тракты:
предгрупповой тракт с полосой частот 12-24 кГц;
первичный групповой тракт - 60-108 кГц;
вторичный групповой тракт - 312-552 кГц;
третичный групповой тракт - 812-2044 кГц;
четвертичный групповой тракт - 8516-12388 кГц.
На базе типовых групповых трактов организуются типовые широкополосные каналы.
канал ТЧ с ЭППЧ 0,3-3,4 кГц;
широкополосные каналы:
ШК-12 с полосой частот 12-24 кГц;
ШК-48 с полосой частот 60-108 кГц;
ШК-240 с полосой частот 312-552 кГц;
канал звукового вещания с полосой частот:
0,03-15 кГц (высшего класса);
0,05-10 кГц (1-го класса);
0,1-6,3 кГц (2-го класса).
канал звуковых сигналов телевидения:
0,03-15 кГц (высшего класса);
0,05-10 кГц (1-го класса).
канал передачи сигналов изображения телевидения 50 Гц – 6000 кГц.
Нормирование характеристик групповых трактов
Общие требования к сетевым групповым трактам не зависят от протя-женности, числа транзитов и типа систем передачи и даны в таблице:
Электрические параметры
Тип группового тракта
Пр ГТ
ПГТ
ВГТ
Рабочая полоса частот, кГц
12,3-23,4
60,6-107,7
312,3-561,4
Сопротивление нагрузки, Ом
600
150 (135)
75
Относительные уровни, дБм
- на входе
-36
-36
-36
- на выходе
-14
-23
-23
120
Качество сетевых групповых трактов оценивается по тому же перечню электрических
параметров, что и для канала ТЧ. Измерительные приборы выбираются с учетом диапазона
частот контролируемого ГТ.
Тип цифрового канала определяется его номинальной скоростью пере-дачи.
Различают следующие типы цифровых каналов и групповых трактов:
основной цифровой канал (ОЦК) с пропускной способностью 64 кбит/с;
субпервичный цифровой тракт - 512 кбит/с;
первичный цифровой тракт - 2048 кбит/с;
вторичный цифровой тракт - 8448 кбит/с;
третичный цифровой тракт - 34368 кбит/с;
- четвертичный цифровой тракт - 139269 кбит/с.
параметры канала тональной частоты
Канал передачи независимо от способа его образования (ЧРК, ВРК), используемых
средств связи (пров, РР, ТР), числа транзитов должен обеспечивать:
- требуемое качество при дальности вплоть до максимальной;
- универсальность (т.е. возможность работы по нему любой аппаратуры ТЛФ, ТЛГ,
факс, ПД и т.д.)
Качество каналов зависит от используемых систем передачи и профессиональной
подготовленности командиров всех уровней (от ком. взвода и выше).
Под качеством канала ТЧ понимается его пригодность к передаче всех предусмотренных видов информации с заданной достоверностью при дальности связи вплоть до максимальной.
Критерии оценки качества канала:
годен,
не годен,
- ограниченно годен (указывается для каких видов связи пригоден, например, ТЛФ).
Для обеспечения требуемого качества каналов решается 2 класса задач:
1. Прогнозирование качества каналов при планировании линий и сети связи в целом.
При этом командир производит расчет параметров составного канала для каждого маршрута
и оформляет этот расчет в виде норм на каждый канал. Эти нормы в виде шаблонов, таблиц
он выдает экипажам на аппаратных каналообразования для руководства.
2. Контроль за обеспечением требуемого качества каналов при сдаче их в эксплуатацию, его поддержанием на должном уровне в процессе эксплуатации, выявлением причин
ухудшения качества и определением мер по его восстановлению.
Данные задачи решаются командиром совместно с экипажами аппаратных.
Контроль и оценка качества каналов действующих многоканальных линий осуществляется путем измерения электрических параметров и сравнения их с нормами.
Общие электрические параметры канала ТЧ:
ЭППЧ - 0,3-3,4 кГц;
Рпер = -13 дБ, Рпр = +4 дБ, f = 1020 Гц (800 Гц);
аr = -17 дБ, f = 1020 Гц;
Rвх = Rвых = 600 Ом;
Рс на входе канала ТЧ;
число транзитов по ТЧ.
Основные параметры канала ТЧ:
аr(t) - отклонение ОЗ во времени;
аr(f) - ЧХОЗ ; Ршп (Uшп).
защищенность между разными направлениями передачи азп; защищенность между
каналами аз.
Дополнительные параметры канала ТЧ (для ПД, ТТ, ФС)
В идеальном канале ТЧ шумы и помехи должны отсутствовать, АЧ и ФЧ характеристики должны быть линейны, т.е. все частотные составляющие сложного сигнала должны
121
приходить на приемную станцию с одинаковой амплитудой (уровнем) и одновременно. Однако в реальном канале за счет частотной зависимости затухания электрических фильтров и
остальных элементов тракта передачи искажаются АЧХ (ЧХОЗ) и ФЧХ (t гвп); за счет нелинейности усилителей и модуляторов возникают собственные шумы и помехи; из-за нестабильности задающих генераторов возникает изменение частоты в канале.
Кроме этого электрические параметры простых каналов - величины случайные и
взаимозависимые. Поэтому среднее значение и дисперсия некоторого электрического параметра составного канала будут определяться:
n
n
М   M i ;     i2
2
i 1
(1)
i 1
где М i ,  i - среднее значение и среднеквадратическое отклонение
параметра i-го простого канала; n - число простых каналов.
Разброс большинства электрических параметров канала подчиняется нормальному
закону распределения. При этом вероятность того, что отклонения случайной величины У от
среднего не превысят заданного значения равна:
P y  X    Ф(х)
(2)
где х > о - аргумент табулированной функции Лапласа Ф(х).
Следовательно, с вероятностью Р ожидаемые значения случайной величины будут
находиться в пределах:
  М  Х
(3)
при х = 1, Ф(х)= 0,683;
х = 2, Ф(х)= 0,955;
х = 3, Ф(х)= 0,977.
По требованиям нормы на канал передачи должны выполняться с вероятностью не
хуже Р=0,95, т.е. для их расчета достаточно знать 2 момента (математического ожидания и
дисперсию).
Принципы нормирования параметров каналов ТЧ
1. Нормы на каналы ТЧ и групповые тракты едины для проводных, радиорелейных и
тропосферных линий связи. Однако учитываются особенности каждого средства связи.
2. Нормы устанавливаются таким образом, чтобы обеспечить высокое качество связи
на линиях максимальной протяженности и любой структуры.
3. Нормы устанавливаются с учетом ранга сети (магистральная, стратегического
звена управления, оперативного, тактического и т.д.).
4. Нормы задаются на каждый параметр канала.
5. Указываются законы суммирования для составного канала.
Остаточным затуханием канала ТЧ называется его рабочее затухание, измеренное
на f=800 Гц (1020 Гц) при номинальных нагрузках 600 ом:
а r  10 lg
P0
, [дБ]
Pн
(4)
где Р0 - полная мощность от генератора в согласованной нагрузке; Рн - мощность, выделяемая в нагрузке.
Остаточное затухание канала - это разность между уровнем сигнала на входе и
выходе канала ТЧ при согласованных включениях генератора и измерителя уровня:
а r  Рвх  Рвых .
(5)
Остаточное затухание и особенно его стабильность во времени является одним из основных параметров, обеспечивающих качество передачи сигналов. Так, при снижении уровня ниже порога чувствительности приемных устройств, прием становится невозможным.
Превышение уровня сигнала приводит к самовозбуждению в канале (особенно в режиме 2ПР
ОК) и перегрузке МКСП, т.е. нарушению связей по остальным каналам.
122
Поэтому необходимо осуществлять нормирование остаточного затухания. Нормы на
остаточное затухание зависят от режима канала ТЧ:
Режим канала ТЧ
Относительные уровни, дБ/Нп
Рвх
-13/-1,5
+4/+0,5
0
-3,5/-0,4
4 ПР ОК
4 ПР ТР
2 ПР ОК
2 ПР ТР
Остаточное затухание аr ,(дБ/Нп)
Рвых
+4/+0,5
+4/+0,5
-7/-0,8
-3,5/-0,4
-17/-2
0
7/0,8
0
В виду погрешности систем АРУ и автоматического корректирования появляется нестабильность остаточного затухания во времени. В связи с этим нормируется нестабильность остаточного затухания во времени аr(t):
- для простого канала протяженностью L=2500 км:
"ТОПАЗ" - < 1,75 дБ,
"АЗУР" - < 1 дБ;
- для составного канала:
a r  1,75  n , дБ ,
a r  1  n , дБ .
Допустимая погрешность установки остаточного затухания не более 0,5 дБ (0,05Нп)
.
Рвх=- 6 дБ/ - 0,5 Нп
Рвх=- 23 дБ/ - 2,5 Нп
ИГ
ПРМ
ПРД
ИУ
КАНАЛ ТЧ
ПРМ
Zн=600 Ом
ПРД
Zг=600 Ом
f=1020 Гц (800 Гц)
Используется метод разности уровней. Для исключения перегрузки группового оборудования, согласно директивы НС МО и Министра связи, измерения в каналах ТЧ производить с использованием не номинальных уровней Рпер= -13 дБ (-1,5 Нп), а с использованием
измерительных уровней на 1 Нп (10дБ) ниже номинальных Рпер= -23дБ (-2,5 Нп).
Порядок измерения:
Главная станция дает команду «Приступаем к регулировке каналов ТЧ. Дайте генератор по 1 каналу. Даю Вам генератор». «Вас понял».
Регулировка и измерение производятся одновременно в обе стороны с помощью
встроенных приборов, или П-321, П-326, П-322.
1. Подать на вход канала ТЧ от измерительного генератора сигнал с частотой 800 Гц и
уровнем Рвх=-23 дБ.
2. К выходу канала ТЧ подключить измеритель уровня. С помощью регулятора усиления РУ канала ТЧ установить уровень сигнала на выходе канала ТЧ Р вых= -6 дБ,
Rг=Rиу=600 Ом.
3. Определить остаточное затухание в канале ТЧ: аr=Рвх - Рвых.
123
В процессе эксплуатации ежечасно снимаются отклонения остаточного затухания от
номинальной величины. По этим данным определяются:
- среднее значение остаточного затухания М(аr);
- среднеквадратическое отклонение затухания от среднего значения.
Выводы:
1. Остаточное затухание - один из основных параметров канала ТЧ, влияющий на качество передачи информации и загрузку системы передачи.
2. Регулируется в режиме 4 ПР ОК.
3. Нестабилен во времени ввиду погрешности систем АРУ и автоматического корректирования.
Методические рекомендации по выполнению курсового проекта «Обоснование и расчет основных параметров цифровых систем передачи».
124
Каждому студенту предлагается выбрать номер варианта исходных данных (таблица
1) в соответствии с последней цифрой его зачетной книжки.
Курсовая работа должна содержать расчетную часть и пояснительную записку. В состав пояснительной записки должны входить:
титульный лист;
задание на курсовую работу;
расчетная часть, оформленная согласно предложенному алгоритму и содержащая необходимые расчеты, графики, таблицы с пояснениями и выводами;
перечень использованной литературы;
оглавление.
1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Таблица 1.
Пример
номера вариантов задания
№2
1
Тактовая
16
N1
частота
32
N2
входного
48
N3
сигнала,
64
N4
кГц
Канал передачи
N5
ДИ
Тактовая частота
канала служебной N6
связи
Тактовая частота группового цифрового сигнала,
кГц
синхронный
поВид ввода
лож.
асинцифровоотхронго сигнала
риц.
ный
двухс
т.
Число корректируемых
искажение
символов
КСС
Среднее время поиска
синхросигнала, мс, не
более
Коэффициент использования пропускной способности, не хуже
2
3
4
5
6
7
18
16
8
20
10 11 12 13 14 15 16
27
10
14
12
9
9
12
5
10
6
15
1 расч расч расч расч
расч расч
9
6
10
-
4
3
-
расч
-
-
2 расч расч 4
расч
расч 560 расч 480 1024 расч расч расч расч расч 360 расч 360 расч расч расч
расч
***
-
***
***
***
***
***
***
***
расч
1
расч
***
расч расч
-
расч расч
-
расч расч расч
4
6
***
***
***
***
1
1
***
-
1
1
1
-
2
-
7
15
8
10
9
15 10 12 13
***
1
***
1
2
1
2
1
1
9
7
9
10 15 17 15
10
0,9 0,88 0,85 0,9 0,92 0,7 0,86 0,8 0,92 0,89 0,8 0,84 0,8 0,7 0,91 0,75
0,9
ОСНОВНЫЕ ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К СТРУКТУРЕ ЦИКЛА ПЕРЕДАЧИ
125
-
1. Соотношение количества информационных и служебных символов должно быть таким, чтобы обеспечить требуемые параметры ЦСП.
2. Для оценки качества проектирования цикла и сверхцикла рекомендуется использовать коэффициент использования пропускной способности Кисп, определяемый как отношение числа тактовых интервалов в цикле (сверхцикле), занятых для передачи полезной информации (информационных символов, сигналов дискретной информации) к общему числу
тактовых интервалов в цикле (сверхцикле). Коэффициент использования пропускной способности проектируемой ЦСП должен быть не менее заданного (в реальных стационарных
ЦСП Кисп > 0,98).
3. Длительность цикла должна быть по возможности минимальной, что позволяет
уменьшить время восстановления синхронизма и временные флюктуации цифрового потока
на выходе оборудования сопряжения, а также упростить генераторное оборудование и систему цикловой синхронизации.
4. Число бит в цикле М не должно превышать 1500, а число циклов в сверхцикле – 70.
Желательно, чтобы эти числа разлагались на целочисленные сомножители возможно меньшей величины. При этом упрощается генераторное оборудование.
5. Длительность сверхцикла не должна превышать 2-3 мс из-за ограничения максимального времени восстановления синхронизма в ЦСП.
6. В цикле и сверхцикле должны быть предусмотрены интервалы для передачи синхросигналов. Число бит в слове (кодовой группе) циклового синхросигнала рекомендуется принимать равным 7…12, а в слове сверхциклового синхросигнала – 4…8.
7. Структура цикла должна обеспечивать возможность простого перехода от асинхронного режима работы к синхронному и наоборот.
8. Объединение входных цифровых сигналов может быть посимвольным или погрупповым в зависимости от типа применяемых кодеков. Для ИКМ-кодека объединение – всегда
погрупповое (по байтам).
9. Биты кодовых слов сигналов, передаваемых в цикле (сверхцикле), не должны разделяться битами других кодовых слов.
10. Число следующих подряд служебных символов в цикле передачи и их количество
должно быть минимальным, а их распределение в цикле – равномерным. Кодовые слова
каждого канального сигнала должны располагаться в цикле (сверхцикле) по возможности
регулярней, ритмичней. Чем регулярней поток кодовых групп, тем проще аппаратура объединения и разделения цифровых потоков (так как можно использовать устройства буферной
памяти ЗУ с меньшим объемом в блоках сопряжения – БС), более простой алгоритм формирования управляющих импульсных последовательностей в генераторном оборудовании,
лучшее подавление временных флюктуаций.
11. Распределение символов синхросигнала должно быть таким, чтобы обеспечивалось
минимальное время восстановления синхронизма. Обычно формируют сосредоточенный
синхросигнал, поскольку при этом обеспечивается значительно меньшее время восстановления синхросигнала, чем при рассредоточенном синхросигнале.
12. Формирование команд согласования скоростей (КСС) должно быть таким, чтобы
обеспечивалась их максимальная помехоустойчивость. Обычно это достигается за счет равномерного распределения символов КСС по циклу передачи, при котором уменьшается вероятность их искажений сосредоточенными помехами.
13. Допустимо в цикле и сверхцикле иметь тактовые интервалы, не занятые передачей
информации. Наличие таких интервалов может быть использовано для повышения степени
регулярности цифровых потоков, а в дальнейшем – как резерв передачи сигналов дискретной
информации, служебной связи, контроля и сигнализации и др.
14. Тактовые интервалы в цикле и циклы в сверхцикле рекомендуется нумеровать,
начиная с единицы. Первые тактовые интервалы в цикле рекомендуется использовать для
передачи сигналов цикловой синхронизации.
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
126
fт
Fт
N
M
Mи
Mс
Mг
a
b
mцс
mкс
mсл
mк
mди
mос
fц
Tц
i
k
fг
fсл
fди
r
tп
Kисп
– тактовая частота группового цифрового сигнала;
– тактовая частота цифрового сигнала объединяемого потока;
– число объединяемых потоков;
– общее число импульсных позиций в цикле;
– общее число информационных символов;
– общее число служебных символов;
– число импульсных позиций (информационных и служебных) группы сигналов
(субцикла) в цикле;
– минимальное число информационных символов, приходящихся на один входной
поток;
– минимальное число служебных символов, приходящихся на один входной поток;
– число позиций для символов циклового синхросигнала;
– число позиций для символов команд согласования скоростей (КСС);
– число позиций для символов служебной связи;
– число позиций для символов контроля и сигнализации;
– число позиций для символов дискретной информации;
– согласующие символы при отрицательном согласовании скоростей;
– частота следования циклов;
– длительность цикла;
– число, характеризующее число групп сигналов (субциклов) в цикле;
– число групп сигналов (субциклов) в цикле;
– частота следования групп сигналов (субциклов) в цикле;
– частота следования сигналов служебной связи;
– частота следования сигналов дискретной информации;
– число корректируемых искажений символов команды согласования скоростей;
– среднее время поиска синхросигнала;
– коэффициент использования пропускной способности группового тракта ЦСП.
РЕКОМЕНДУЕМЫЙ АЛГОРИТМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЦИКЛА ПЕРЕДАЧИ
Разработка структуры цикла передачи проектируемой ЦСП заключается в последовательном выполнении ряда операций. Ниже приводится рекомендуемый алгоритм проектирования цикла передачи. Необходимо отметить, что практически каждый этап может иметь несколько вариантов решения и для получения наиболее рационального с точки зрения разработчика окончательного результата возможно неоднократное возвращение к тому или иному
пункту предлагаемого алгоритма. В конце данного приложения приведены два примера, которые предназначены для лучшего усвоения предлагаемого алгоритма.
1. Подготовить таблицу исходных данных для проектирования цикла передачи в форме
таблицы 2. Заполнить её столбцы по данным таблицы 1.
2. Рассчитать (если это не задано в табл.1) первоначальное ориентировочное значение
тактовой частоты группового цифрового сигнала проектируемой ЦСП ( fт ), которое для
двоичного сигнала численно равно скорости передачи сигналов по групповому цифровому
тракту системы передачи
fт = (1,1…1,2) × N × Fт.
(1)
Коэффициент 1,1 (1,2) введен для учета увеличения тактовой частоты из-за передачи
сигналов синхронизации, команд согласования скорости и т.п. Его величина может несколько изменяться, исходя из конкретного случая проектируемой ЦСП.
3. Рассчитать первоначальное значение соотношения числа информационных и служебных символов в цикле передачи для каждого входного потока
127
Fò
a
(2)
 ,
fò
b
 Fò
N
где a / b – несократимая дробь. В этом выражении a и b определяют минимальное
число, соответственно, информационных и служебных символов, приходящийся на один
входной поток.
На этом этапе возможно уточнение значения fт для получения целочисленных значений a и b.
4. Выбрать первоначальные значения числа позиций для передачи служебной информации mцс, mкс, mсл, mк, mди, mос с учетом рекомендаций, изложенных в требованиях к
структуре цикла передачи.
Для обеспечения коррекции одного искаженного символа команды согласования скоростей необходимо выбрать mкс, как минимум равную трем, а в качестве команд использовать комбинации типа 111 и 000 (в этом случае легко корректируется одиночная ошибка в
любом символе КСС).
Сигналы контроля и сигнализации для системы передачи (например, потеря цикловой
синхронизации, превышение допустимой интенсивности ошибок и т.п.) могут передаваться
на позициях цикла, предназначенных для передачи информационных символов при отрицательном согласовании скоростей в те моменты, когда это согласование не осуществляется.
Число позиций для сигналов контроля выбирается в общем случае исходя из необходимости
передачи конкретных видов сигналов.
Для передачи информационных символов при отрицательном согласовании скоростей
выделяется одна позиция на каждый объединяемый поток.
5. Рассчитать общее число информационных Mи и служебных Mс символов в цикле
передачи в соответствии с выражениями
Mи = i × N × a ,
(3)
Mс = i × N × b ,
(4)
где i = 1, 2, 3,… (целые числа). При этом минимальное значение i выбирается их
условия
i = ( N × mкс + mцс + mсл + mк + mди + N × mос ) / N × b.
(5)
Округление i до целого числа производится в сторону его большего значения. Реальное значение i определяется после анализа параметров системы с выбранной структурой
цикла. В общем случае величина i может характеризовать один из вариантов числа групп
сигналов (субциклов) в цикле.
6. Рассчитать общее число импульсных позиций в цикле
M = M и + Mс ,
или
М= i×N×(a+b).
(6)
7. Рассчитать k – количество групп сигналов (субциклов) в цикле.
В качестве одного из вариантов значения k может быть использована величина i , если это нечетное простое число, а при возможности представления i (например, i – четное
число) рядом сомножителей, количество групп в цикле может определяться одним из них.
Число импульсных позиций в группе (субцикле) в общем случае определяется как
Mг = M / k.
(7)
Тогда минимальное значение Mг может быть найдено в соответствии с
Mг = N × ( a + b ).
(8)
Возможно увеличение Mг умножением его на один из сомножителей i . Окончательные значения Mг и k могут быть получены после анализа размещения кодовых слов и битов (информационных и служебных) сигналов по тактовым интервалам цикла. Однако в любом случае, количество субциклов в цикле при асинхронном объединении потоков не может
быть меньше 3-4, исходя из необходимости рассредоточения по циклу символов КСС.
8. Разместить кодовые слова и биты (информационных и служебных) сигналов по тактовым интервалам цикла и сверхцикла. Структура цикла (сверхцикла) должна удовлетворять
требованиям (см. пп.2).
128
Размещение рекомендуется начинать с циклового синхросигнала, а затем с сигналов,
кодовые слова которых наиболее длинные и наиболее часто встречаются в цикле. Проект
цикла целесообразно выполнить в виде эскизного наброска. Группы тактовых интервалов,
специализированных на передаче сигналов одного типа, представляются на рисунке прямоугольниками одного цвета. После размещения всех кодовых слов, передаваемых в цикле, переходят к размещению кодовых слов, передаваемых в сверхцикле (если он организуется).
При выполнении этого пункта рассматривается, как правило, несколько конкурирующих вариантов, и выбирается лучший из них.
9. Рассчитать частоту следования циклов fц и длительность цикла Tц (мс)
fц = fт / M,
Tц = 1 / fц.
(9)
10. Рассчитать частоту следования групп сигналов в цикле
fг = fт / Mг.
(10)
11. Рассчитать тактовую частоту сигналов служебной связи, значение которой обычно должно быть от 16 до 32 кГц.
fсл = fц × mсл.
(11)
Аналогично можно рассчитать тактовую частоту передачи сигналов дискретной информации, значение которой должно быть не более 500 Гц.
fди = fц × 1ди.
(12)
В случае получения при расчетах существенно большей величины необходима организация сверхциклов.
12. Выбрать структуру кодовой группы циклового синхросигнала (с одной или q
критическими точками).
Понятие критических точек удобно использовать для анализа процесса функционирования опознавателя синхросигнала при пошаговом сравнении кодовых групп, когда
первые j символы кодовой группы идентифицируются с последними j символами опознавателя.
Кодовая группа длиной mцс имеет критические точки после тех первых j символов,
которые оказываются идентичными последним j символам. Тогда наименьшее количество критических точек (одну) имеет кодовая группа вида 011...1 (на последнем символе),
также одну критическую точку имеют группы вида 1011000, 10111000 и т.п. Наибольшее
количество критических точек равное количеству символов кодовой группы синхросигнала mцс имеет кодовая группа вида 111...1 (на 1, 2, 3,..., mцс-м символах). Для кодовой
группы другой структуры возможно и промежуточное значение числа критических точек.
Например, кодовая группа вида 0101...01 имеет в своем составе ½ mцс критических точек
на всех четных символах.
Проведенные исследования показывают, что вероятность формирования ложной
синхрогруппы для кодовых групп с одной критической точкой минимальна. Поэтому
предпочтительнее выбирать структуру кодовой группы синхросигнала с возможно меньшим числом критических точек.
От числа критических точек кодовой группы синхросигнала зависит также среднее
время поиска синхросигнала, которое в общем случае будет меньше при одной критической точке. Однако в ряде случаев (например, при более длинных циклах) кодовые группы, имеющие в своем составе q критических точек, оказываются более эффективными,
т.е. среднее время поиска синхросигнала будет меньше.
13. Рассчитать среднее время поиска синхросигнала при использовании синхронизирующих кодовых групп с одной критической точкой
129
 M  möñ  1 M  möñ  1 
  Tö , (мс),
tï  

 2 mö ñ  1

M

m
öñ


(13)
а при кодовых группах с q критическими точками
 q 1

q 1
2 M  q  1
1
M  q  1

tï 
 2  j

 Tö , (мс).
2

M q 
j 1 2  1
2q 1


q 1


(14)
Выбрать из этих значений наименьшую величину и сравнить с требуемым по заданию.
При необходимости, повторить расчеты с п.4.
14. Рассчитать коэффициент использования пропускной способности группового
тракта ЦСП ( Kисп ) как отношение числа тактовых интервалов в цикле, если в системе не
предусмотрен сверхцикл, или в сверхцикле, используемых для передачи канальных цифровых сигналов всех типов (информационных, дискретной информации), кроме сигналов
синхронизации, к общему числу тактовых интервалов, соответственно, в цикле или в
сверхцикле. Коэффициент использования пропускной способности должен удовлетворять
заданным требованиям.
Kисп = ( Mи + mди ) / M.
15. Внести все полученные результаты в таблицу 2.
16. Сделать выводы и привести необходимые обоснования по проделанной работе.
17. Оформить письменный отчет в виде пояснительной записки с необходимыми рисунками и таблицами.
ПРИМЕР РАСЧЕТА №1
В качестве примера рассмотрим формирование структуры цикла передачи оборудования группообразования с двухсторонним согласованием скоростей.
1. Исходные данные:
N
= 4;
Fт = 2048 кГц;
fт = 8448 кГц;
r
= 1;
tп ≤ 1,0 мс;
Kисп > 0,96.
3. Расчет минимального отношения числа информационных и служебных символов
2048 / (8448 /4 - 2048) = 2048 / 64 = 32 / 1.
4. Выбор первоначального значения числа позиций для передачи служебной информации:
4.1. Для обеспечения коррекции одного искаженного символа команды согласования скоростей выбираем mкс = 3.
4.2. Для передачи сигналов контроля будем использовать те же позиции, что и для
передачи информационных символов, формируемых при отрицательном согласовании
скоростей (в моменты, когда отрицательное согласование не производится). Таким образом, mк = N × mос = 4.
4.3. Выбираем mцс = 4, mсл = 4, mди = 4.
5. Расчет общего числа информационных и служебных символов в цикле.
130
i = ( 4×3 + 4 + 4 + 4 + 4×1 ) / 4 = 7.
Тогда Mи = 7 × 4 × 32 = 896,
Mс = 7 × 4 = 28.
6. Расчет общего числа импульсных позиций в цикле.
M = 896 + 28 = 924.
7. Расчет количества групп сигналов (субциклов) в цикле.
Так как i = 7 (нечетное простое число), то берем k = i = 7.
Число импульсных позиций в субцикле Mг = 924 / 7 = 132.
8. Выбор структуры цикла передачи.
Минимизируя число следующих подряд служебных символов, и равномерно распределяя их по циклу, получим следующую структуру цикла передачи.
9. Расчет частоты следования циклов и длительности цикла.
fц = 8448 / 924 = 9,1 кГц,
Tц = 1 / 9,1 = 109,4 мкс = 0,1094 мс.
10. Расчет частоты следования групп сигналов в цикле.
fг = 8448 / 132 = 64 кГц.
11. Расчет тактовой частоты сигналов служебной связи.
fсл = 9,1 × 4 = 36,4 кГц.
12. Выбор структуры кодовой группы циклового синхросигнала.
С 1-й критической точкой
– 1101.
С 2-мя критическими точками – 0101.
С 4-мя критическими точками – 1111.
13. Расчет среднего времени поиска синхросигнала. При 1-й критической точке
 924  4  1 924  4  1 
tï  

  0,1094  12,1ìñ .
4
924  4 
 2 1
Так как при mцс = 4 не обеспечивается требуемое время поиска синхросигнала, то
необходимо увеличить число символов в синхросигнале и повторить расчеты с п.4.
131
4. Оставляем выбранные ранее значения mк = N × mос = 4, mсл = 4, mди = 4.
Выбираем mцс = 8.
5. Расчет общего числа информационных и служебных символов в цикле.
i = (4 × 3 + 8 + 4 + 4 + 4 × 1) / 4 = 8.
Тогда Mи = 8 × 4 × 32 = 1024,
Mс = 8 × 4 = 32.
6. Расчет общего числа импульсных позиций в цикле.
M = 1024 + 32 = 1056.
7. Расчет количества групп сигналов (субциклов) в цикле.Так как i = 8, то выберем
k = 4.
Число импульсных позиций в субцикле Mг = 1056 / 4 = 264.
8. Выбор структуры цикла передачи.
9. Расчет частоты следования циклов и длительности цикла.
fц = 8448 / 1056 = 8 кГц,
Tц = 1 / 8 = 125 мкс = 0,125 мс.
10. Расчет частоты следования групп сигналов в цикле.
fг = 8448 / 264 = 32 кГц.
11. Расчет тактовой частоты сигналов служебной связи.
fсл = 8 × 4 = 32 кГц.
12. Выбор структуры кодовой группы циклового синхросигнала.
С 1-й критической точкой
– 01000111.
С 8-ю критическими точками – 11111111.
13. Расчет среднего времени поиска синхросигнала.
При 1-й критической точке
 1056  8  1 1056  8  1 
tï  

  0,125  0,64 ìñ .
8
1056  8 
 2 1
при 8-ми критических точках
132
7
 2 7  1056  8  1
1
1056  8  1
tï  

2


  0,125  0,78 ìñ .

j
1056  8 
j 1 2  1
28 12

Выбираем кодовую группу синхросигнала с одной критической точкой.
14. Расчет коэффициента использования пропускной способности группового тракта
ЦСП.
Kисп = (1024+4) / 1056 = 0,97.
Заданные требования реализованы предложенной структурой цикла передачи.
15. Заполнить все оставшиеся столбцы таблицы 2.
Таблица 2.
№
п/п
1
2
3
4
5
6
7
Тип канала,
цифровых
сигналов
ЦК-32 кбит/с
Канал ДИ
Канал служебной
связи
Символы цикловой синхронизации
Символы КСС
Символы контроля и сигнализации
Свободные ТИ
Число
каналов
Число
бит в
кодовом
слове
Число ТИ, отводимых для каналов
в субцикле
в цикле
Номера
ТИ,
занятых в
субцикле
Номера
занятых
субциклов
1-9
fт = 360 кГц
fц = 0,44 кГц
1
2,4,6,8 Tц = 2,25 мс
М = 810
Мг = 90
1
fсл = 17,6 кГц
fди = 0,44 кГц
3,5,7 tп = 9,3 мс
Кисп = 0,89
9
10
2
1
1
1
10
80
-
720
2
40
11-90
9, 10
1-10
1
8
-
8
1-8
10
-
3
1
-
30
10
1-10
1-10
-
-
-
133
-
-
-
Основные параметры
группового сигнала
ЦСП
цсс = 01000111
r=1
ксс = 000, 111
Литература
1. Телекоммуникационные системы и сети: Учебное пособие. Том 1 /Под ред. В.П.
Шувалова. – М.: Горячая линия - Телеком, 2004.
2. Телекоммуникационные системы и сети: Учебное пособие. Том 2 /Под ред. В.П.
Шувалова. – М.: Горячая линия - Телеком, 2004.
3. Галкин В.А., Григорьев Ю.А. Телекоммуникации и сети: Учебное пособие для
вузов. – М.: МГТУ им. Баумана, 2003.
4. Федеральный закон «О связи», 2003.
5. Барон Д.А. Магистральные и внутризоновые кабельные линии связи. Линейные
сооружения, 1988.
6. Шувалов В.П. Передача дискретных сообщений. М., Радио и связь.
7.
Ошерович Л.Г. Радиорелейная и тропосферная связь, - Л.: ВАС, 1992.
8.
Макеева М.М. Радиорелейные линии связи, Учебник. - М.: МО, 1989.\
9.
Брискер А.С. Волоконно-оптические линии связи на ГТС. - М.: Радио и связь.
10. Убайдуллаев Р.Р. Волоконно-оптические сети. – М.: Эко-Тренд, 1999.
11. Блэк Ю. Сети ЭВМ: протоколы, стандарты, интерфейсы /пер. с анг. – М:
Мир, 1990.
12.
Якубайтис Э.А. Информационные сети и системы: Справочная книга. – М.:
Финансы и статистика, 1996. Бутусов М.А. ВОСП: Учебник для вузов. – М.: Радио и связь,
1992.
13. Берсенев И.И., Бондаренко С.А. и др. Основы построения ТЛК сетей и систем.
Ч.1. Сети связи синхронной цифровой иерархии. – Кемерово: КВВКУС, 2005.
14. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети: Учебник для вузов. 2-е изд. –
СПб.: Питер, 2005.
134
Оригинал-макет курса лекций
НОУ ВПО КУЗИЭП
Подписано в печать АКТ №
Объем -
«
»
200
Формат 60 х 90/16
п.л.
Тираж
Стоимость
экз.
руб.
Бумага многофункциональная офисная
Отпечатано в копировально-множительном отделе
Кузбасского института экономики и права
135
г.