Современная телекоммуникация

Введение. Основные направления развития телекоммуникационных технологий

Телекоммуникации (греч. tele — вдаль, далеко и лат. communication — общение) — это передача и прием любой информации (звука, изображения, данных, текста)
на большие расстояния по различным электромагнитным системам (кабельным и оптоволоконным каналам, радиоканалам и другим, проводным и беспроводным каналам
связи).

Телекоммуникационные сети представляют собой комплекс аппаратных и программных средств, обеспечивающих передачу информационных сообщений между
абонентами.

К традиционным телекоммуникационным сетям относятся:

Компьютерные сети (для передачи данных).
Телефонные сети (передача голосовой информации).
Радиосети (передача голосовой информации — широковещательные услуги).
Телевизионные сети (передача голоса и изображения — широковещательные услуги).

На разных этапах развития общества применялись новые методы, средства и технологии передачи информации в телекоммуникационных системах.

Конвергенция телекоммуникационных сетей (радио, телефонных, телевизионных и вычислительных сетей) открывает новые возможности для передачи данных,
голоса и изображения. Именно сеть Интернет претендует на роль глобальной универсальной мультисервисной (инфокоммуникационной ) сети нового поколения для
качественной передачи данных, голоса и изображения

Телекоммуникационные технологии — это совокупность алгоритмов, методов и средств передачи информации. Современные телекоммуникационные технологии
основаны на использовании глобальных компьютерных сетей.

Глобальные компьютерные сети — это компьютерные сети, которые объединяют территориальные и , локальные сети, а также отдельные
компьютеры, удаленные друг от друга на большие расстояния. К наиболее известной глобальной сети относится сеть Интернет (составная сеть IP). Глобальная
сеть Интернет была создана в 1990 году на базе сети ARPANet. Для передачи данных в сети Интернет используется семейство сетевых протоколов (стек)
TCP/IP.

Кроме того, к глобальным компьютерным сетям относятся: всемирная некоммерческая сеть FidoNet, EARNet, EUNet, CREN и другие глобальные сети. К Internet
могут быть подключены и сети, которые не используют протокол IP, так называемые «чужие» сети (например, BITNET, DECnets и др.).

Все глобальные компьютерные сети являются составными сетями, а отличия между ними заключается в технологиях канального и физического уровней. Протоколы
уровня сетевого интерфейса обеспечивают интеграцию в составную сеть других сетей, созданных на основе различных технологий (Ethernet, Token Ring, X25,
Frame Relay, ATM и т.д.).

Составная сеть — это совокупность нескольких сетей или подсетей, соединенных маршрутизаторами. Глобальные сети IP можно разделить на два класса:
чистые сети IP и наложенные (оверлейные) сети «IP поверх ATM/FR/MPLS». IP-сети могут работать поверх любых сетей: ATM,
MPLS, SDH, Frame Relay, Ethernet, поверх выделенных каналов (SLIP, HDLC, PPP) и так далее. Необходимо отметить, что наиболее перспективными являются
наложенные сети IP/MPLS.

IP/MPLS отличается от стандартного пакетного протокола IP тем, что коммутация трафика основывается не на адресной информации в IP-пакете, а на коммутации трафика внутри сети MPLS по прикрепленной к пакету данных специальной метке.

Основное назначение сети Интернет:

оказание телекоммуникационных услуг;
предоставление информационных услуг;
предоставление средств коммуникаций;

Общедоступные (публичные) телекоммуникационные услуги оказывают операторы связи, они предоставляют каналы общественных телекоммуникаций, предоставляют в аренду каналы связи. Кроме того, в настоящее время распространены услуги по организации корпоративных территориально распределенных сетей заказчиков в разделяемой инфраструктуре операторов связи и сервис-провайдеров. В этом случае корпоративные территориально распределенные сети строятся на основе модели MPLS L3 VPN или MPLS L2 VPN.

Сеть Интернет характеризуется:

Архитектурой Интернет;
Межсетевым протоколом (IP-протоколом) способным объединять различные физические сети.

Архитектура сети — концепция, определяющая основные элементы сети, характер и топологию взаимодействия этих элементов и представляющая логическую, функциональную и физическую организацию технических и программных средств сети. Практически все услуги Internet построены на базе архитектуры клиент-сервер.

Применение межсетевого IP-протокола обеспечило нормальное взаимодействие компьютеров с различными программными и аппаратными платформами в сети Интернет.

Типы связи

Кабельные линии — для передачи используются электрические сигналы;
Радиосвязь — для передачи используются радиоволны;
- ДВ-, СВ-, КВ- и УКВ-связь без применения ретрансляторов
- Спутниковая связь — связь с применением космического ретранслятора(ов)
- Радиорелейная связь — связь с применением наземного ретранслятора(ов)
- Сотовая связь — радиорелейная связь с использованием сети наземных базовых станций
Волоконно-оптическая связь — для передачи используются световые волны.
Интернет

В зависимости от инженерного способа организации линии связи разделяются на:

спутниковые;
воздушные;
наземные;
подводные;
подземные.

В зависимости от того, подвижны источники/получатели информации или нет, различают стационарную (фиксированную) и подвижную связь (мобильную, связь с подвижными объектами — СПО).

В зависимости от типа передаваемого сигнала различают аналоговую и цифровую связь.

Аналоговая связь — это передача непрерывного сигнала.
Цифровая связь — это передача информации в дискретной форме (цифровом виде). Цифровой сигнал по своей физической природе является аналоговым, однако передаваемая с его помощью информация определяется конечным набором уровней сигнала. Для обработки цифрового сигнала применяются численные методы.

Дискретные сообщения могут передаваться аналоговыми каналами и наоборот. В настоящее время цифровая связь вытесняет аналоговую (происходит оцифровка), поскольку аналоговые сигналы перед отправкой могут быть преобразованы в дискретные и после приема восстановлены без существенных потерь. Условия, обеспечивающие возможность такого преобразования, задаются теоремой Котельникова.

1.3. Основные способы построения телекоммуникационных сетей связи

Одним из основных требований, предъявляемых к сетям передачи индивидуальных сообщений (телефонные, телеграфные, факсимильные, передачи данных), является то, что сеть должна обеспечить каждому пользователю возможность связаться с другим пользователем. Для выполнения этого требования сеть связи строится по определенному принципу в зависимости от условий функционирования. Следовательно, сети связи могут иметь различную структуру, т. е. отличаться числом и расположением узловых и оконечных пунктов (станций), а также характером их взаимосвязи . На рисунке 1.6 показаны способы построения сетей связи.

При полносвязанном способе построения (принцип «каждый с каждым») между узлами существует непосредственная связь. Используется при небольшом количестве узлов на сети (рисунок 1.6 а).

При радиальном способе построения сети связь между узлами осуществляется через центральный узел (рисунок 1.6 б). Используется при построении сети на сравнительно небольшой территории.

На большой территории сеть связи строится по радиально-узловому способу (рисунок 1.6 в).

Кольцевой способ построения сети предусматривает возможность осуществления связи как по часовой, так и против часовой стрелки (рис. 1.6 г). В этом случае при повреждении на определенном участке сеть сохраняет свою работоспособность.

При комбинированном способе построения сети узлы на верхнем иерархическом уровне связываются по полносвязанной схеме рисунок 1.6 д). В этом случае выход одного из узлов не нарушает работу всей сети.

Рисунок 1.6 – Способы построения сетей связи

Сигнал

Основная статья: Аналоговый сигнал

Аналоговый сигнал — физическая величина, изменение (модуляция) которой в пространстве и во времени отображает передаваемое сообщение. Например, изменения напряжения (или тока, частоты, фазы и т. п.) отражают процесс речи. Аналоговый сигнал имеет следующие характеристики:

высота H — динамический диапазон,
ширина F — ширина спектра,
длина T — длительность сигнала во времени.

Объёмом сигнала является произведение V = FHT. В процессе передачи сигнала могут происходить изменения измерений как с сохранением объёма, так и без. Это происходит вследствие следующих преобразований сигнала:

Ограничение — изъятие из передачи одной или нескольких частей сигнала без сохранения информации, которая содержалась в изъятых частях. Например, ограничение речевого канала диапазоном 300—3400 Гц (канал тональной частоты).
Трансформация — изменения одного или нескольких измерений за счёт изменения другого или других измерений с сохранением неизменного объёма (как у кубика пластилина). Например, уменьшить время передачи можно, увеличив ширину спектра сигнала или динамический диапазон, либо и то, и другое.
Компандирование — включает два процесса, от которых пошло название: компрессия (сжатие) и экспандирование (расширение). На передающей стороне происходит сжатие сигнала в одном или нескольких измерениях, на приёмной — восстановление. Например, «выкусывание» пауз в речи на передающей стороне и восстановление на приёмной.

Общие сведения о телекоммуникации

Начать следует с того, что понятие «телематика» возникло относительно недавно, и в широком смысле оно указывает на средства передачи информации. То есть технологическое обеспечение телекоммуникации прямо или косвенно подчиняется информационным каналам связи, позволяющим транслировать информацию на расстоянии. В этом смысле одним из ключевых объектов телекоммуникации может выступать сеть – информационная, программная или аппаратная. Что касается непосредственно материала, который, по сути, обслуживают телекоммуникационные технологии, то в этом качестве может выступать текст, голос, видео и т. д. В то же время будет неправильно возлагать на телекоммуникацию только лишь задачу передачи данных на расстоянии. Технологии в этой сфере обслуживают и средства хранения, упорядочения, а также обработки информации. Разнообразие видов материала и средств технической поддержки как раз и определило широкий спектр направлений, в которых развиваются технологии.

Сеть связи

Сеть передачи данных

Сеть (система) электросвязи — совокупность терминальных устройств, линий связи и узлов связи, функционирующих под единым управлением. Например: компьютерная сеть, телефонная сеть.

В общем виде в систему связи входят:

терминальное оборудование: оконечное оборудование, терминальное устройство (терминал), оконечное устройство, источник и получатель сообщения;
устройства преобразования сигнала (УПС) с обоих концов линии.

Терминальное оборудование обеспечивает первичную обработку сообщения и сигнала, преобразование сообщений из вида, в котором их предоставляет источник (речь, изображение и т. п.) в сигнал (на стороне источника, отправителя) и обратно (на стороне получателя), усиление и т. п.

Устройства преобразования сигнала могут обеспечивать защиту сигнала от искажений, формирование канала (каналов), согласование группового сигнала (сигнала нескольких каналов) с линией на стороне источника, восстановление группового сигнала из смеси полезного сигнала и помех, разделение его на индивидуальные каналы, обнаружение ошибок и коррекцию на стороне получателя. Для формирования группового сигнала и согласования с линией используется модуляция.

Линия связи может содержать такие устройства преобразования сигнала, как усилители и регенераторы. Усилитель просто усиливает сигнал вместе с помехами и передаёт дальше, используется в аналоговых системах передачи (АСП). Регенератор («переприёмник») — производит восстановление сигнала без помех и повторное формирование линейного сигнала, используется в цифровых системах передачи (ЦСП). Усилительные/регенерационные пункты бывают обслуживаемыми и необслуживаемыми (ОУП, НУП, ОРП и НРП соответственно).

В ЦСП терминальное оборудование называется ООД (оконечное оборудование данных, DTE), УПС — АКД (аппаратура окончания канала данных или оконечное оборудование линии связи, DCE). Например, в компьютерных сетях роль ООД выполняет компьютер, а АКД — модем.

Телекоммуникационные услуги

В узком понимании задач телекоммуникации в качестве функций могут рассматриваться и услуги, которые, впрочем, тоже базируются на хранении, преобразовании и передаче данных. Например, режим электронной почты дает возможность удобного обмена сообщениями. Это же касается участников телеконференций – они тоже участвуют в процессе обмена информацией, но уже в другом формате. В список современных сетевых услуг можно включить размноженную передачу сообщений, трансляцию больших массивов данных и т. д. Кроме этого, телекоммуникационные технологии охватывают и вопросы, связанные с самой организацией выполнения функций с точки зрения самого пользователя. В частности, сервис может предоставлять абоненту возможность настройки круга адресатов, организации замкнутых групп с участниками сети, переадресации и т. д.

Понятие телекоммуникационных технологий

Ключевой компонент в понимании технологий данного рода – это информационные сети, вокруг которых строится телекоммуникационная инфраструктура. Развитие технологической базы в данном случае подразумевает совершенствование цифровых и аналоговых систем, обеспечивающих взаимодействие посредством сетей связи. Иными словами, телекоммуникационные технологии – это совокупность средств, обеспечивающих функции передачи, хранения и обработки данных. В этом процессе основная роль отводится компьютерным системам и линиям передачи. Эффективность организации сетей во многом зависит и от принципов, по которым реализуется проект. Современная телекоммуникационная инфраструктура характеризуется высоким уровнем надежности, безопасности и скорости передачи данных

В этом контексте важно отметить, что особенностью правильно организованной коммуникационной сети является способность связывать пункты отдельных подсистем на больших расстояниях

Ограничения технологии ПЦИ

Как американский, так и международный варианты технологии ПЦИ обладают недостатками, основным из которых является сложность и неэффективность операций мультиплексирования и демультиплексирования пользовательских данных. Применение техники бит-стаффинга для выравнивания скоростей потоков приводит к тому, что для извлечения пользовательских данных из объединенного канала необходимо полностью демультиплексировать кадры объединенного канала. Например, чтобы получить данные одного абонентского канала 64 Кбит/с из кадров канала Т-3, требуется произвести демультиплексирование этих кадров до уровня кадров Т-2, затем — до уровня кадров Т-1, а в конце концов демультиплексировать и сами кадры Т-1. Если сеть ПЦИ используется только в качестве транзитной магистрали между двумя крупными узлами, то операции мультиплексирования и демультиплексирования выполняются исключительно в конечных узлах, и проблем не возникает. Но если необходимо выделить один или несколько абонентских каналов в промежуточном узле сети ПЦИ , то эта задача простого решения не имеет. Как вариант предлагается установка двух мультиплексоров уровня ТЗ/ЕЗ и выше в каждом узле сети. Первый призван обеспечить полное демультиплексирование потока и отвод части низкоскоростных каналов абонентам, второй — опять собрать в выходной высокоскоростной поток оставшиеся каналы вместе с вновь вводимыми. При этом количество работающего оборудования удваивается.

Выделение низкоскоростного канала путём полного демультиплексирования

Другой вариант — «обратная доставка». В промежуточном узле, где нужно выделить и отвести абонентский поток, устанавливается единственный высокоскоростной мультиплексор, который просто передает данные транзитом дальше по сети без их демультиплексирования. Эту операцию выполняет только мультиплексор конечного узла, после чего данные соответствующего абонента возвращаются по отдельной линии связи в промежуточный узел. Естественно, такие сложные взаимоотношения коммутаторов усложняют работу сети, требуют её тонкого конфигурирования, что ведет к большому объему ручной работы и ошибкам. К тому же в технологии ПЦИ не предусмотрены встроенные средства обеспечения отказоустойчивости и администрирования сети. Наконец, недостатком ПЦИ являются слишком низкие по современным понятиям скорости передачи данных. Волоконно-оптические кабели позволяют передавать данные со скоростями в несколько гигабит в секунду по одному волокну, что обеспечивает консолидацию в одном кабеле десятков тысяч пользовательских каналов, но эту возможность технология ПЦИ не реализует — её иерархия скоростей заканчивается уровнем 139 Мбит/с.

Также ПЦИ не содержит стандартных механизмов мониторинга и управления и не определяет стандартных физических интерфейсов.

Системы быстрой передачи сигнала

Благодаря достижениям технологий микроэлектроники, изготавливаются и используются современные мобильные и компьтерные сети и телекоммуникации, такие как Bluetooth, ZigBee, WiMax, WiFi и др. На практике используются экзотические системы передачи, которые создаются с использованием общих принципов и схем построения и отличаются канальными адаптерами для подключения к соответствующим каналам передачи сигнала. Гидроакустические системы связи осуществляют связь под водой с использованием ультразвуковых колебаний в 8-20 кГц на расстоянии до 4 км. Лазерные системы связи используют лазеры с длиной волны 1-10 мкм и применяются в космических линиях связи. Рязанским приборостроительным заводом (Россия) изготавливается лазерное приемо-передающее устройство, обеспечивающее передачу сигнала со скоростью около 200 Мбит/с на расстояние 2-10 км в земных условиях и используется, например, для передачи информации между базовыми станциями в системах мобильной связи. Системы связи в тоннелях и метро используют радиоизлучающий (антенный) кабель, например, фирмы EUPEN, в диапазоне частот 30-1800 МГц. Учеными США установлена возможность передачи радиоволн гектаметрового диапазона в недрах Земли. Считается, что во время размещения ретрансляторов на расстоянии до 200 м можно создать линию связи для передачи сигнала со спектром около 500 Гц.

Сферы использования телекоммуникации

На данном этапе сложно найти направления жизнедеятельности общества, в которых бы не задействовались средства телекоммуникации. Их используют в организации учебных процессов, на производствах, при осуществлении спасательных операций, для повседневного обмена информацией между рядовыми пользователями на бытовом уровне и т. д. При этом в каждой сфере использование телекоммуникационных технологий имеет свою специфику, особенности и ограничения. Так, в учебном процессе важна доступность, эргономика и удобство при использовании технологий, в военном деле упор делается на обеспечение безопасности, а в медицине, к примеру – на точность и детальность.

Разделение (уплотнение) каналов

См. также: Мультиплексирование и Модуляция

Создание нескольких каналов на одной линии связи обеспечивается с помощью разнесения их по частоте, времени, кодам, адресу, длине волны:

частотное разделение каналов (ЧРК, FDM) — каждому каналу выделяется определённый диапазон частот.
временное разделение каналов (ВРК, TDM) — каждому каналу выделяется квант времени (таймслот).
кодовое разделение каналов (КРК, CDMA) — разделение каналов по форме сигнала, каждому каналу присвоен сигнал определённой формы; для выделения нужного сигнала в каждом приёмнике используется коррелятор, который вычисляет скалярное произведение группового сигнала и опорного сигнала, присвоенного данному приёмнику,
спектральное разделение каналов (СРК, WDM) — разделение каналов по длине волны.

Возможно комбинировать методы, например ЧРК+ВРК и т. п.

1.1. Понятие системы и сети связи

Основу теории и техники электросвязи составляет передача на расстояние различного рода сообщений (информации). Под информацией понимают совокупность сведений о каких-либо предметах, событиях, процессах чьей-либо деятельности и т.д. Форма представления информации называется сообщением. Это может быть речь или музыка, рукописный или машинописный текст, чертежи, рисунки, телевизионное изображение.

Для передачи по каналам связи каждое сообщение преобразуется в электрический сигнал. Сигнал – физический процесс, отображающий передаваемое сообщение (физический носитель сообщения). Физическая величина изменением, которой обеспечивается отображение сообщений, называется информационным или представляющим параметром сигнала.

Перенос сообщений из одной точки пространства в другую осуществляет система электросвязи. Система электросвязи (телекоммуникационная система) – комплекс технических средств, обеспечивающий передачу сообщений от источника к получателю на расстояние (рисунок 1.1).

Система электросвязи в целом решает две задачи:

1) доставка сообщений – функции системы электросвязи;

2) формирование и распознавание сообщений – функции оконечного оборудования.

Трактом передачи называют совокупность приборов и линий, обеспечивающих передачу сообщений между пользователями.

Канал передачи (связи) – часть тракта передачи между двумя любыми точками. В канал передачи не входят оконечные устройства.

Рисунок 1.1 – Структурная схема системы электросвязи (телекоммуникационной системы)

Принцип передачи сигналов электросвязи показан на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 – Принцип передачи сигналов электросвязи

На входе и на выходе тракта передачи сообщений включаются оконечные устройства, обеспечивающие преобразование сообщений в электрические сигналы и обратное преобразование. Данные устройства называются первичными преобразователями и сформированные ими сигналы также называются первичными. Например, при передаче речи первичным преобразователем является микрофон, при передаче изображения – электронно-лучевая трубка, при передаче телеграммы – передающая часть телеграфного аппарата.

Источник сообщения формирует сообщение a(t), которое преобразуется в электрический сигнал s(t). В системе электросвязи происходят вторичные преобразования сигналов и они транспортируются в форме, отличной от первоначальной.

Сеть электросвязи (телекоммуникационная сеть) — совокупность линий (каналов) связи коммутационных станций, оконечных устройств, на определенной территории, обеспечивающая передачу и распределение сообщений (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 – Обобщенная структурная схема сети электросвязи (телекоммуникационной сети)

На входе и на выходе сети связи включаются оконечные устройства, обеспечивающие преобразование сообщений в электрические сигналы и обратное преобразование. Оконечные устройства соединяются с коммутационной станцией абонентскими линиями. Коммутационные станции между собой связаны соединительными линиями. Коммутационные станции осуществляют соединение входящих линий с исходящими линиями по соответствующему адресу.

В общем виде, сообщение, передаваемое от источника к получателю состоит из двух частей: адресной и информационной. По содержимому адресной части коммутационная станция определяет направление связи и осуществляет выбор конкретного получателя сообщения. Информационная часть содержит само сообщение.

Совокупность процедур и процессов, в результате выполнения которых обеспечивается передача сообщений, называется сеансом связи, а набор правил в соответствии, с которыми организуется сеанс связи, называется протоколом.

Сигналы и каналы связи

Техническая организация процессов телекоммуникации невозможна без использования сетей, которые могут работать с теми или иными сигналами. Формат сигнала определяет, какой может быть структура канала трансляции данных. Под каналом подразумевается линия, по которой устройство передает информацию. К традиционным линиям можно отнести коаксиальный провод, витую пару, оптоволоконную оптику и др. К более развитым относятся инфракрасные волны и спутниковые каналы. Что касается сигналов, то телекоммуникационные технологии подразумевают обслуживание аналоговых и цифровых данных. Несмотря на активный переход на цифровые сигналы, аналоговый формат имеет существенные преимущества, которые не позволяют от него полностью отказаться. К ним можно отнести отсутствие необходимости преобразования данных при переходе от одной коммутационной системы к другой.