Некоммерческое акционерное общество

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра телекоммуникационных  систем 

 

 

ОСНОВЫ РАДИОТЕХНИКИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

 

Конспект лекций
для бакалавров  специальности 5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации

 

 

Алматы 2013

 

СОСТАВИТЕЛИ: Агатаева Б.Б., Шахматова Г.А. Основы радиотехники и телекоммуникаций. Конспект  лекций для студентов  специальности 5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации. – Алматы: АУЭС, 2013. – 38 с.

 

Конспект лекций предназначен для  самостоятельного изучения курса «Основы радиотехники и телекоммуникации». В конспекте приведен  обзор основных элементов радиотехники и телекоммуникации.  Необходимость самого конспекта лекций обусловлена потребностью  более глубокого понимания процессов, происходящих в области радиотехники, а также в телекоммуникациях. Развитие телекоммуникации не стоит на месте, появляются новые   способы реализации тех или иных технических решений создания телекоммуникационных сетей, новые стандарты передачи информации, поэтому в конспекте лекций, помимо описания основных принципов построения технических  схем, представлены ссылки на литературу, которая может быть использована при изучении той или иной темы. Приведены основные структурные и принципиальные схемы, необходимые для понимания процессов, происходящих в  области телекоммуникации.

Конспект лекций для студентов по специальности 5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации.

 

Ил. 25, табл.12, библ.14 назв.

 

 

Рецензент: доц.каф.АЭС Калиева С.А.

 

Печатается по плану издания Некоммерческого акционерного общества «Алматинский университет энергетики и связи» на 2013г.

 

 

НАО Алматинский университет энергетики и связи, 2013 г.

ã        

Введение

 

Конспект предназначен для изучения предмета «Основы радиотехники и телекоммуникаций» студентами специальности 5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации. Количество кредитов по предмету 2.

Курс дисциплины изучает общие принципы радиотехники, физическую сущность явлений, происходящих в радиотехнических устройствах; методы передачи, приема и обработки сигналов, диапазоны используемых частот, основы антенно-фидерной техники, принципы построения устройств и систем радиосвязи; назначение, условия функционирования, принципы построения, структурные схемы телекоммуникационных систем, способы представления и преобразования сообщений, сигналов и помех; принципы построения  и особенности многоканальных телекоммуникационных систем с частотным, временным и кодовым мультиплексированием; основные понятия цифровых сетей с интеграцией служб и интеллектуальных сетей; телекоммуникационные сети с маршрутизацией информации (узловые сети), коммутацией каналов, коммутацией сообщений, способы коммутации пакетов, задержки, потери и перегрузки в сетях с пакетной коммутацией, понятие об управлении потоками в сетях пакетной коммутации, основные тенденции современного развития телекоммуникационных и радиосистем, интеграция коммуникационных услуг на единой цифровой технологической основе.

             Предмет делится на 3 модуля. В первом в объеме 4 лекций изучаются  общие принципы радиотехники и выполняются 4 лабораторных работы. Во втором модуле в объеме 4 лекций изучаются принципы построения  и особенности многоканальных телекоммуникационных систем с частотным, временным и кодовым мультиплексированием и выполняются 4 лабораторных работы.  Каждая лабораторная работа выполняется за 2 часа. В 3 модуле изучаются основные понятия цифровых сетей с интеграцией служб и интеллектуальных сетей.

 

 

Лекция 1.  Общая характеристика телекоммуникационных систем

 

Цель лекции: получить представление о первичных и вторичных сетях электросвязи, изучить классификацию каналов, трактов, систем передачи и условия их функционирования.

 

Средства телекоммуникаций обеспечивают организацию связи между абонентами любых населенных пунктов. Для этого на территории СНГ создана взаимоувязанная сеть связи ВСС.

ВСС – совокупность технических средств электросвязи, образующей первичную сеть типовых каналов передачи и типовых групповых  трактов, и построенные на ее базе вторичные сети.

          Первичная сеть состоит из совокупности станций и линий передачи, образующих сеть типовых каналов.

Первичная сеть охватывает территорию всей страны и имеет трехступенчатую структуру, объединяя магистральную, внутризоновые и местные сети.

Магистральная сеть располагается на территории всей страны и связывает между собой крупные населенные пункты.

Внутризоновая сеть располагается на территории области, края.

Местная сеть создается на территории города или сельского района и называется соответственно ГТС или СТС.

На базе каналов первичной сети создаются вторичные сети. В зависимости от вида электросвязи вторичные сети получили названия: телефонной, телеграфной, сети передачи данных, передачи газет, звукового вещания, телевизионного вещания.

В многоканальной электросвязи сигналы любого вида передаются по отдельным каналам, которые организуются с помощью систем передачи.

Система передачи СП - это совокупность технических средств, обеспечивающая образование линейного тракта, типовых групповых трактов и типовых каналов передачи первичной сети ЕАСС. Система передачи состоит из станционного оборудования и оборудования линейного тракта

Классификация СП

-                 по способу разделения каналов: с частотным разделением каналов ЧРК и с временным разделением каналов ВРК;

-                 по виду передаваемого сигнала: аналоговые системы передачи АСП и цифровые системы передачи ЦСП;

-                 в зависимости от среды распространения: воздушные, кабельные волоконно-оптические, радиорелейные;

-                 по назначению: магистральные, внутризоновые, местные.

Канал передачи – совокупность технических средств и среды распространения, обеспечивающая передачу сигналов электросвязи или в определенной полосе частот или с определенной скоростью передачи между двумя станциями. Современные системы передачи являются многоканальными, т.е. обеспечивают одновременную независимую передачу многих сигналов. Канал передачи называется типовым, если он соответствует определенным параметрам.

 

Таблица 1.1 - Классификация типовых каналов передачи

Канал тональной частоты  (телефонный канал)	- эффективно передаваемая полоса частот  (03,-3,4)кГц - скорость передачи 64 кБит/сек
Телеграфный канал	Спектр частот   (10 – 150) Гц
Канал звукового вещания	Спектр частот   (30-15000) Гц
Канал передачи данных	Первичный     (60-108) кГц   или    2048 Кбит/с Вторичный   (312-552) кГц   или    8448 Кбит/с Третичный   (812-2044) кГц  или  34368 Кбит/с
Канал телевидения	Спектр частот       (0 – 6) Мгц

 

Линейный тракт ЛТ - совокупность технических средств, обеспечивающая передачу сигналов электросвязи или в полосе частот, или со скоростью передачи, определяемой номинальным числом каналов данной системы передачи. В зависимости от среды распространения линейный тракт может быть кабельным, воздушным, радиорелейным, спутниковым, волоконно-оптическим.

Групповой тракт – совокупность технических средств, обеспечивающая передачу сигналов электросвязи или в полосе частот, или со скоростью передачи  нормализованной группы каналов ТЧ в пределах одной или нескольких систем передачи.

          Электрическая связь обеспечивает передачу информации на любые расстояния, но дальность передачи сигналов ограничена, т.к. сигнал при прохождении по линии ослабевает и искажается. Причиной этого является внесение кабелем затухания и искажений.

Линия передачи вносит затухание, которое определяется по формуле:

 

a_{л =}  α _ţ  ×  Ĺ,

 

где     α _ţ  - километрический коэффициент затухания кабеля;

Ĺ   - длина линии.

При организации связи между абонентами сигнал проходит через несколько участков (ГТС, СТС, МТС) и во всех вариантах соединения затухание канала должно быть постоянным.

Международный союз электросвязи МСЭ установил, что затухание между двумя любыми абонентами не должно превышать 29,7 Дб. Распределение затухания по участкам цепи приведено на рисунке 1.1.

Исходя из этих величин, при расстояниях больше 10 км нужно применять усилители или использовать аппаратуру уплотнения.

 

Рисунок 1.1 - Распределение затухания по участкам цепи

 

В крупных городах при построении ГТС нужно организовывать большое число соединительных линий на значительные расстояния. Это приводит к большому расходу кабеля, поэтому экономически целесообразно на межстанционных участках применять многоканальную аппаратуру уплотнения, которая позволяет организовать по одной паре проводов нужное число каналов.

Для компенсации затухания, вносимого кабелем, между оконечными станциями необходимо устанавливать промежуточные усилительные пункты, которые могут быть обслуживаемыми и необслуживаемыми.

 

Рисунок 1.2 -  Схема организации связи

 

На ОП устанавливается аппаратура, которая вместе с определенным кабелем и промежуточными станциями образует систему передачи. С помощью СП организуются все нужные типы каналов для передачи любых видов сообщений.

Междугородний канал должен быть 4-х проводным, так как передача сигнала в одном направлении должна вестись по одной паре проводов, а в другом направлении по второй паре проводов.

Рисунок 1.3 - Схема междугороднего канала ТЧ

 

Направляющей средой для междугородных систем передачи являются симметричные, коаксиальные и волоконно-оптические кабели.

Кабели связи представляют собой некоторое количество токопроводящих проводников, изолированных друг от друга. Каждая пара проводников образует электрическую цепь, по которой передается информация в виде электромагнитной энергии.

В оптических кабелях вместо токопроводящих проводников используется стекловолокно, по которому передается информация в виде световой энергии.

Для предохранения от проникновения влаги проводники или оптические волокна заключены в герметичную оболочку.

          Симметричными называются кабели, у которых обе жилы физической цепи (пары) являются однотипными, т.е. изготовлены из однородного материала, имеют одинаковый диаметр, тип изоляции и т.д. Токопроводящие жилы симметричных кабелей изготавливают из круглой медной проволоки диаметром 0,8-1,4 мм либо из алюминиевых проволок. В качестве изоляции используют кабельную бумагу, полистирол, полиэтилен и другие пластмассы. Изолированные жилы симметричных кабелей скручивают в группы, называемые элементами. Скручивание создает отдельным жилам рабочей пары одинаковые условия относительно взаимных и внешних помех. Междугородные высокочастотные симметричные кабели бывают четверочной скрутки: 1х4, 4х4, 7х4. Например, МКС-4х4х1,2.

          Основным недостатком симметричных кабелей являются взаимные влияния пар проводов, что ограничивает спектр передаваемых сигналов (до 300 кГц).

          Основным элементом коаксиального кабеля является коаксиальная пара – гибкая металлическая трубка, внутри которой, в центре, находится изолированный провод. Трубку называют внешним проводником, а центральный провод – внутренним. Т.к. центры внутреннего и внешнего проводника совпадают, такую пару называют коаксиальной. Изоляция между проводниками обеспечивается полиэтиленовыми шайбами, расположенными на внутреннем проводнике. Ими же обеспечивается строгая концентричность пары, т.е. соостность внутреннего и внешнего проводников.  Кабель может содержать несколько коаксиальных пар. Например, КМ-4, КМ-8/6.

          Внешний проводник является экраном для внутреннего, поэтому в таких кабелях отсутствуют взаимные влияния между парами проводов.

          В оптических кабелях направляющей системой служат световоды – оптические волокна ОВ, изготовленные из высококачественного стекла или пластмассы. Количество волокон в кабеле неограниченно и определяется его назначением. Пропускная способность ОВ составляет десятки тысяч каналов, а скорость передачи цифровой информации – десятки и сотни Гигабит в сек.

          Масса и наружный диаметр оптического кабеля намного меньше медных кабелей. Конструкции ОК могут содержать медные жилы, используемые для электропитания регенераторов и служебной связи.

 

Лекция 2. Способы представления и преобразования сообщений, сигналов и помех

Цель лекции: изучить формы представления сигналов электросвязи, принципы преобразования сигналов из аналоговой формы в дискретную и цифровую.

 

Сигнал является переносчиком информации. Электрический сигнал служит переносчиком сообщения в системах электросвязи. Выбор электрических сигналов для переноса сообщения на расстояние объясняется тем, что скорость их распространения соизмерима со скоростью света.

Электрические сигналы могут быть непрерывными и дискретными.

Непрерывный сигнал с течением времени может принимать любые, в заданных пределах, мгновенные значения. Непрерывный сигнал называют аналоговым.

Дискретный сигнал характеризуется конечным числом значений информационного параметра.

 

  

 

Рисунок 2.1 - Виды сигналов

 

На практике дискретные сообщения преобразуется в цифровой сигнал, когда последовательность отдельных значений (отсчетов) заменяется последовательностью символов 0 и 1 (двоичный код). Такой сигнал получил название цифрового.

Процесс превращения непрерывного сигнала в дискретный называется амплитудно-импульсной модуляцией АИМ.  В качестве  переносчика сообщений используется импульсная последовательность. Ее амплитуда изменяется по закону изменения исходного сигнала. Частота следования импульсов называется частотой дискретизации и рассчитывается по формуле:

 

Fд 2Fв.

 

При амплитудно-импульсной модуляции АИМ по закону модулирующего сигнала изменяется амплитуда импульсов, а длительность и частота следования остаются постоянными.

 

 

 

 

Рисунок 2.2 - Процесс амплитудно-импульсной модуляции

 

Сформированный групповой АИМ – сигнал подвергают операции квантования и кодирования.

Амплитудное квантование заключается в том, что множество значений амплитуд отсчетов заменяется ограниченным рядом ближайших к ним нормированных значений. Эти значения называются разрешенными уровнями.

Разность между двумя соседними разрешенными уровнями называется шагом квантования ∆.

Разность между значением АИМ-отсчета и уровнем квантования называется ошибкой квантования:

 

ξ_кв=|U_аим|- |U_кв|.

 

Чем больше разрешенных уровней, т.е. чем меньше шаг квантования, тем меньше ошибка квантования. Ошибка, возникшая в процессе квантования,  воспринимается в канале как помеха и называется помехой квантования.

Произведя «нумерацию» уровней квантования в двоичном коде, можно передавать не сами уровни, а их квантованные значения. Полученная в результате этого преобразования импульсная последовательность является групповым ИКМ сигналом.

 

Линейное кодирование

При линейном кодировании квантование выполняется по равномерной шкале квантования, когда шаг квантования является постоянным.

Максимальное число уровней квантования при равномерном квантовании:

M= 2^m- 1.

Нумерация уровней квантования осуществляется преобразованием десятичного числа в двоичное по следующему правилу:

1) десятичное число условных шагов квантования представляется суммой чисел, например:   105 = 64+32+8+1;

2) в ряду чисел     единицы ставятся там, где есть числа, и нули там, где их нет:  

64+32+8+1=105;

1×2⁶ + 1×2⁵ + 0×2⁴ + 1×2³ + 0×2² + 0×2¹ +1×2⁰.

Совокупность коэффициентов, состоящая из нулей и единиц, называется кодовой группой. Числу 105 в десятичной системе исчисления, соответствует кодовая группа 1101001 в двоичной системе исчисления.

Число единиц и нулей в кодовой группе определяет её разрядность.

Если кодовая группа содержит m разрядов, то с помощью такого кода можно закодировать M = 2^m уровней. Так, при m = 3 M = 8, а при m = 7 M = 128.

Так как телефонные сигналы являются двухполярными, при их дискретизации получают последовательность разнополярных  импульсов.

Для кодирования используют симметричный двоичный код, в котором для кодирования полярности импульса к ИКМ сигналу (кодовой группе) добавляется ещё один разряд слева. Положительным отсчётам присваивается единица, а отрицательным – 0.

На приеме при декодировании осуществляется обратное преобразование. Входным сигналом декодера является 8 – разрядная кодовая группа. Первый разряд определяет полярность отсчета и в соответствии с принятой кодовой комбинацией включаются эталонные токи,  суммарный ток которых определяет величину декодируемого АИМ – сигнала.

          Групповой сигнал (цикл передачи) объединяет 32 канальных интервала.

30 - для передачи полезной информации и 2 - для передачи служебных сигналов. Служебные сигналы (ЦС, СЦС, СУВ и т.д.) передаются в нулевом и 16-том канальном интервалах. Каждые 16 циклов объединяются в сверхцикл с целью организации служебных каналов, в которых передаются сигналы управления и взаимодействия между приборами АТС. Эти сигналы не нуждаются в процедуре дискретизации, т.к. представляют собой токовые и безтоковые посылки. В каждом цикле можно передать сигналы СУВ для двух каналов тональной частоты, поэтому для передачи СУВ 30 каналов необходимо в сверхцикл объединить 15 циклов. 16-тый цикл добавляется для передачи сигнала сверхцикловой синхронизации. Структура сверхцикла приведена на рисунке 2.3.

 

 

Рисунок 2.3 - Формирование группового сигнала

 

Т.к. каждый символ цифрового  потока занимает половину тактового интервала, то нужна последовательность  импульсов с частотой следования fти скважностью q = 2 .  Тактовая частота определяется:

 

                                     .

 

Основным мешающим действием при передачи сигналов являются помехи. Помехами называют посторонние электрические колебания, проникающие в каналы систем передачи и мешающие нормальному приему передаваемых сигналов. Различают помехи внутренние (шумы) и внешние.

К помехам внутреннего происхождения относятся те помехи, которые обусловлены свойствами самих каналов, т.е. линейным трактом и каналообразующей аппаратурой: это  -  тепловые шумы линии и шумы, создаваемые усилителями, преобразователями и другими копмонентами аппаратуры.

К внешним помехам относятся помехи, возникающие вследствие переходных влияний между параллельными цепями, радиопомехи, атмосферные помехи, помехи от ЛЭП, источников питания и т.д.

В системах передачи с ЧРК помехи возникают в каналообразующем оборудовании и, в основном, в линейном тракте. В СП по коаксиальным кабелям, хорошо защищенным от внешних помех, действуют только внутренние помехи, т.е. тепловые шумы линий, усилителей и помехи нелинейного происхождения. В СП по симметричным кабелям, кроме внутренних помех, действуют значительные помехи от переходных влияний между парами, размещенными в одном кабеле. В каналах СП по РРЛ и по линиям спутниковой связи действуют в основном внутренние помехи.

Шумы канала цифровой кабельной системы передачи обусловлены действием большого количества факторов: шумы оконечных станций, шумы линейного тракта.

Шумы ЛТ возникают за счет ошибок в линейном тракте, которые приводят к ошибкам декодирования, а значит, неправильному восстановлению передаваемого сигнала. Шумы вызывает дрожание фазы тактовых импульсов за счет неточной работы выделителя тактовых импульсов, что приводит к взаимным влияниям между каналами. Линейные тракты современных ЦСП рассчитываются таким образом, что шумами ЛТ можно принебречь.

Шумы оконечных станций складываются из шумов квантования, шумов ограничения и шумов незанятого канала. При использовании неравномерного квантования шумами ограничения и шумами незанятого канала можно принебречь. Поэтому шумы оконечного оборудования в основном определяются шумами квантования. Мощность шумов квантования значительно уменьшается с увеличением количества разрядов двоичного кода.

Влияние шумов оценивается величиной помехозащищенности.

Помехозащищенность – это разница между минимальным уровнем сигнала и уровнем помехи:

 

 

 

 

Лекция 3. Многоканальные телекоммуникационные системы

 

Цель лекции: изучить принципы построения многоканальных систем передачи с частотным и временным разделением каналов, их структурные схемы и способы формирования группового сигнала.

 

         При многократном использовании линий связи широкое применение получил метод частотного разделения каналов (ЧРК), при котором сигналы различных каналов размещаются в определенной последовательности по шкале частот

Принцип построения систем передачи с частотным разделением каналов основан на том, что каждому каналу отводится своя полоса частот.

Для этого исходный сигнал в спектре (0,3-3,4)кГц подается на модулятор М, который с помощью индивидуальной несущей переносит сигнал в высокочастотный спектр.

          Полосовые фильтры в тракте передачи выделяют полезную боковую полосу частот. Преобразованные сигналы объединяются  и в групповой форме передаются по линии.

 

                                                       

Рисунок 3.1 - Принцип построения СП с ЧРК

 

          На приеме полосовые фильтры разделяют групповой сигнал на индивидуальные полосы частот каждого канала.

          Демодуляторы ДМ с помощью соответствующих несущих преобразуют высокочастотный сигнал в полосу частот (0,3-3,4)кГц, которая выделяется или полосовым фильтром ПФ или фильтром нижних частот ФНЧ и передается к абоненту.

          На рисунке 3.2 представлен план частотных преобразований сигналов тональной частоты из спектра (0,3-3,4) кГц в высокочастотный групповой сигнал.

 

Рисунок 3.2 - Частотный план формирования группового сигнала

 

          Из рисунка видно, что исходные сигналы занимают одинаковые полосы частот и их нельзя объединить и вместе передавать по линии, т.к. на приеме их невозможно будет разделить между тремя приемниками сообщений. В групповом высокочастотном сигнале каждый исходный сигнал занимает свою полосу частот. Тогда на приеме с помощью полосовых фильтров можно будет разделить групповой сигнал по каналам. Полосовой фильтр выделяет полезную верхнюю боковую полосу частот.        Несущие соседних каналов  должны отличаться на 4 кГц.

Для правильного восстановления сигналов на приеме несущие частоты, подаваемые на модулятор и демодулятор одноименного канала, должны быть одинаковыми. Несущие, подаваемые на модуляторы соседних каналов, должны отличаться на 4 кГц, т.к. каждый канал занимает полосу частот 4 кГц.         Полезными составляющими после модуляции являются верхняя и нижняя боковая полоса частот. Передавать по каналу можно две боковые и несущую, одну боковую и несущую, одну боковую без несущей. При передаче обеих боковых полоса частот канала составит 8 кГц, что приведет к уменьшению числа каналов.

Поэтому в аппаратуре принято передавать по каналу одну боковую (или верхнюю или нижнюю), а несущую в тракте приема получают от своего генераторного оборудования.

Принцип временного разделения каналов ВРК заключается в том, что в каждый момент времени в линейный тракт ЛТ уплотненной цепи передаются поочередно сигналы только одного канала. Для этой цели передающее и приемное устройство содержит специальные переключающие устройства, периодически на короткое время подключающие линию передачи к передающим и приемным аппаратам данного канала. Таким образом, в каждый момент времени по линии передается сигнал только одного сообщения. Схема приведена на рисунке 3.3. На рисунке 3.4 приведены временные диаграммы, поясняющие процесс преобразования сигналов.

 

 

Рисунок 3.3 - Принцип построения СП с ВРК

 

Рисунок 3.4 - Формирование группового сигнала в СП с ВРК

 

Непрерывный по времени (аналоговый) сигнал от источника сообщений поступает на электронный ключ и преобразуется в дискретный. Электронные ключи каналов замыкаются поочередно, поэтому дискретные отсчеты сигналов сдвинуты по времени,  могут быть объединены в групповой сигнал и переданы по линии передачи.

В групповой сигнал вводится сигнал цикловой синхронизации, который отмечает начало группового сигнала и служит для правильного распределения импульсов на приеме.

В тракте приема сигнал цикловой синхронизации выделяется приемником цикловой синхронизации, подается в генераторное оборудование тракта приема, после чего замывается ключ первого канала, затем второго и т.д. Таким образом,  групповой сигнал распределяется по каналам и поступает на фильтр низких частот ФНЧ, который восстанавливает исходный непрерывный сигнал из дискретных отсчетов.

На приеме из дискретных отсчетов можно восстановить непрерывный сигнал, если ограничить спектр передаваемого сигнала по верхней частоте спектра. Для этого на передаче устанавливается ФНЧ с граничной частотой 3,4 кГц.

В процессе преобразования в тракте передаче получается групповой амплитудно-модулированный сигнал, полезная информация заключена в изменениях амплитуды импульсов тактовой частоты. При передаче такого АИМ-сигнала по линии на него будут влиять помехи, величина и знак которых носят случайный характер. В результате на приемной стороне получим сигнал, не соответствующий сигналу на передаче.

Поэтому групповой АИМ-сигнал подвергается операции кодирования. В аппаратуре применяется нелинейное кодирование, т.к. оно позволяет при той же разрядности кодовой группы закодировать значительно большое число разрешенных уровней. Кроме того уменьшается относительная ошибка квантования.

Процесс нелинейного кодирования состоит из 3 этапов:

-   кодирование полярности отсчета;

-   кодирование номера сегмента, в котором заключен отсчет;

-   кодирование отсчета в пределах данного сегмента.

Таким образом,  первым тактом кодирования кодируется полярность отсчета (положительный – плюс, отрицательный – минус), 2-4 разряды – кодирование номера сегмента, 5-8 разряды – кодирование отсчета по закону линейного кодирования.

При декодировании осуществляется обратное преобразование. Входным сигналом декодера является 8 – разрядная кодовая группа. В соответствии с принятой кодовой комбинацией выбирается основной эталон и соответствующие 4 дополнительные эталоны, суммарный ток которых определяет величину декодируемого АИМ – сигнала.

 

Лекция 4. Цифровые телекоммуникационные сети

 

Цель лекции: ознакомиться с видами цифровых телекоммуникационных систем плезиохронными и синхронными цифровыми иерархиями PDH и SDH.

 

Цифровые  системы передачи строятся согласно определенной иерархии: в качестве первичной была выбрана скорость передачи 2048 кбит/сек. Это 30-канальная группа (32 канальных интервала). ОЦК имеет скорость передачи 64 кбит/сек. Разрядность кодовой группы выбрана равной 8. Тогда скорость передачи первичного цифрового потока составляет:

 

                              64×10× 32 = 2048 кбит/сек.

 

Для дальнейшего увеличения скорости потоков принят коэффициент кратности, равный 4. Это объясняется тем, что в основе построения ЦСП лежит двоичная система исчисления.

Формирование ЦСП осуществляется на основе объединения цифровых потоков низшего порядка в цифровые потоки высшего порядка.

Иерархия цифровых систем передачи приведена на рисунке 4.1.

 

 

 

Рисунок 4.1 – Иерархия цифровых систем передачи

 

Современная первичная цепь может строиться на основе трех технологий:

1)             PDH – плезиохронная цифровая иерархия,  Plesiochronous Digital Hierarchy;

2)             SDH – синхронная цифровая иерархия,       Synchronous Digital Hierarchy  (SONET - это североамериканский эквивалент SDH);

3)             ATM – асинхронный режим передачи.

 

Технологии PDH

В мировой практике существует 3 принципа формирования первичной сети (3 стандарта скоростей):

          - североамериканский (США, Канада);

          - японский;

          - европейский и южноамериканский.

 

         

Рисунок 4.2 - Стандарты скоростей

 

ГО каждой ступени иерархии работает независимо, поэтому для синхронизации оборудования необходимо вводить специальные синхросигналы, которые позволяют на приеме правильно распределять потоки низшего уровня.

Технология PDH обладает рядом недостатков:

- сложный ввод/вывод цифровых потоков в промежуточных пунктах;

- отсутствие средств сетевого автоматического контроля и управления;

- многоступенчатое восстановление синхронизма требует достаточно большого времени;

- наличие трех различных иерархий.

Сложность ввода/вывода потоков низшего порядка заключается в том, что при необходимости выделения потока Е1 из потока Е3 приходится проводить пошаговое демультиплексирование, а затем пошаговое мультиплексирование. Это объясняется тем, что добавление выравнивающих импульсов КСС делает невозможным вывод потока 2Мбит/с или ОЦК 64 кбит/с из потока Е4 со скоростью 140 Мбит/с.

 

 

 

Рисунок 4.3 - Выделение потока Е1 из потока Е4

 

Объем оборудования пункта выделения равен объему оборудования двух оконечных станций.

 

Технологии SDH

Технология SDH определяется как набор цифровых структур, стандартизированных с целью транспортирования определенных объемов информации, и реализуется как комплексный процесс переноса информации, включая функции контроля и управления.

Системы передачи SDH рассчитаны на транспортирование цифровых потоков PDH различных стандартов и уровней, а также широкополосных сигналов, связанных с внедрением новых услуг электросвязи.

Достоинства SDH:

- возможность разработки эффективных и гибких сетей связи;

- позволяет выделить сигнал любого уровня без демультиплексирования основного сигнала;

- стандартные интерфейсы обеспечивают совместимость оборудования различных фирм;

- обеспечивает лучшее управление сетью, даже из одного центра.

На каждом уровне SDH стандартизированы скорости передачи группового сигнала и структуры циклов.

В качестве основного формата сигнала в SDH принят синхронный транспортный модуль STM, имеющий скорость передачи 155,52 Мбит/с.

STM-1 несет основную информационную нагрузку, например, поток Е4 со скоростью 140 Мбит/с, и дополнительные сигналы, обеспечивающие функции контроля, управления, обслуживания, поэтому скорость увеличивается до 155 Мбит/с.

 

Таблица 4.1 -  Скорости передачи SDH

Уровень SDH	Скорость передачи
STM-1	155,520 Мбит/с
STM-4	622,080 Мбит/с
STM-8	1244,160 Мбит/с
STM-12	1866,240 Мбит/с
STM-16	2488,320 Мбит/с (2,5 Гбит/с)
STM-64	9953,280 Мбит/с (10 Гбит/с)
STM-256	39813,120 Мбит/с (40 Гбит/с)

 

Линейная скорость более высокого уровня STM-N сигнала равна произведению Nх155,52 Мбит/с.

В сети SDH сложнее технология мультиплексирования, усилились требования по синхронизации, методы эксплуатации и технологии измерений намного сложнее по сравнению с PDH.

Формат STM

Таблица  STM-1 имеет 9 рядов и 270 столбцов. Каждая клетка соответствует скорости передачи 64 кбит/с, а вся таблица 9×270×64=155520 кбит/с. Первые 9 столбцов отведены для служебных сигналов.

270

                                        9                                               261

3	RSOH
1	PTR	Нагрузка
5	MSOH

 

Рисунок 4.4 - Формат STM

 

В процессе развития сети SDH разработчики могут использовать ряд решений, характерных, для глобальных сетей, таких как формирование своего "остова" (backbone) или магистральной сети в виде ячеистой (mush) структуры, позволяющей организовать альтернативные (резервные) маршруты, используемые в случае возникновения проблем при маршрутизации виртуальных контейнеров по основному пути. Это, наряду с присущими сетям SDH внутренним резервированием, позволяет повысить надёжность всей сети в целом. Причём при таком резервировании на альтернативных маршрутах могут быть использованы альтернативные среды распространения сигнала. Например, если на основном маршруте используется ВОК, то на резервном - РРЛ, или наоборот.

 

 

Лекция 5. Сети телекоммуникаций и системы коммутаций

Цель лекции: ознакомление с основными терминами, ознакомление с институтами стандартизации в телекоммуникациях.

 

Термин «телекоммуникации» (telecommunication) в русском языке строго не определен. Долгие годы он использовался в значении «электросвязь» (telecommunication) или «дальняя связь». С развитием сетевых технологии он стал трактоваться значительно шире и сейчас охватывает все способы передачи и приема различного вида информации (речь, данные, факсимиле и мультимедиа) посредством кабельных, волоконно-оптических, радио, спутниковых и других видов связи.  Обеспечение согласованности параметров оборудования связи, разрабатываемого, производимого и эксплуатируемого во всех странах, а также определение перспектив развития электросвязи – эти задачи в мировом масштабе решает Международный Союз Электросвязи (МСЭ). Одним из стандартизирующим органом МСЭ является сектор стандартизации электросвязи МСЭ-Т, здесь буква Т означает телекоммуникации. 17 мая 1865 года двадцать стран подписали первый международный документ, касающийся телеграфной связи. Был учрежден Международный Телеграфный Союз (International Telegraph Union). Этот день считается датой основания МСЭ. В 1885 году Международный Телеграфный Союз приступил к работам, касающимся регулирования в области телефонной связи. Европейский Институт Телекоммуникационных Стандартов основан в 1988 году. Основная цель создания ETSI – разработка общеевропейских телекоммуникационных стандартов. Эти стандарты призваны обеспечить совместимость национальных систем электросвязи, что, в свою очередь, рассматривается как одно из условий эффективности интеграционных процессов в Европе.

Основной стратегической целью МСЭ является создание Глобальной информационной структуры, в результате чего будет реализована глобализация и персонализация связи. Глобализация и персонализация связи – это две тенденции развития телекоммуникационных систем и сетей, предусматривающие совершенствование связи по сетевым и техническим (или технологическим) направлениям. Глобализация связи – это создание Всемирной (глобальной) сети связи, в которую интегрируются (объединяются) национальные сети связи (сети связи отдельных государств), а также входящие в них региональные и абонентские сети связи. Это позволит любому абоненту земного шара в любое время пользоваться необходимыми ему услугами связи. Персонализация связи, согласно концепции UPT (Universal Personal Telecommunication),  выражается в том, что каждый житель Земли с момента рождения получает персональный номер, который регистрируется во Всемирной сети связи, а поиск абонента при адресовании ему информации осуществляется автоматически с помощью интеллектуальных функций сети.

Современные информационные технологии все настойчивее занимают свое место в нашей жизни. Появился новый термин – Инфокоммуникация.

Инфокоммуникация - новый термин, означающий неразрывную связь информационных и телекоммуникационных элементов информационного обмена, которые развиваются в процессе конвергенции (взаимного проникновения). Инфокоммуникационные сети возникли, с одной стороны, как логичное развитие сетей электросвязи, а с другой, - как дальнейшее развитие вычислительных (компьютерных) сетей или распределенных систем обработки данных (так называется любая система, позволяющая организовать взаимодействие независимых, но связанных между собой компьютеров). К примеру, классическая структура информационной сети, именуемой также вычислительной сетью, содержит точно такие же основные компоненты, как и любая телекоммуникационная сеть: абонентские системы (терминалы), связывающие их сети доступа и транспортную сеть, базы данных и систему управления. Более того, информационную сеть, которая объединяет открытые системы, принято также называть открытой информационной сетью. При этом, все современные сети электросвязи также создаются на базе теории открытых систем в соответствии со стандартом Х.200 «Эталонная модель взаимодействия открытых систем», принятым ISO в 1984 г. Практически все, что в настоящее время строят связисты или компьютерщики, подпадает под определение инфокоммуникационной сети, в которой предоставляются соответствующие услуги. Из всего сказанного можно сделать один интересный вывод: теоретически мир инфокоммуникаций идет к тому, чтобы (технологически) была всего одна (но мультисервисная) сеть всего с одной (но уж очень универсальной) услугой.

Быстрое развитие в XXI веке цифровых мультисервисных сетей NGN, реализующих парадигму «многосвязанности каждого с каждым» и основанных на принципах построения современных сетей передачи и систем обработки данных, несомненно, делает последних определяющим фактором дальнейшего технологического развития средств связи в обозримом будущем. Cеть – это сложная система, состоящая из большого числа раз­нообразных компонентов: компьютеров, концентраторов, маршрутизаторов, ком­мутаторов, системного прикладного программного обеспечения и т. д. Основная задача системных интеграторов и администраторов сетей состоит в том, чтобы эта система как можно лучше справлялась с обработкой потока информации и позволяла пользователям решать их прикладные задачи. Прикладное программ­ное обеспечение часто обращается к службе, обеспечивающей связь с другими прикладными программами по сети. Этой службой является механизм межсете­вого обмена.

Сетевая технология – это согласованный набор стандартных протоколов и программно-аппаратных средств (например, сетевых адаптеров, драйверов, кабелей и разъемов), достаточный для построения вычислительной сети.

Отдельные виды и соответствующие им службы электросвязи относятся к передаче сообщений определенного типа: телефонных, телеграфных, факсимильных (неподвижные изображения), телевизионных, видеотелефонных, данных,  газетных полос для децентрализованной печати, звукового вещания и других. Совокупность оборудования (аппаратуры) для передачи/приема сигналов электросвязи и среды распространения этих сигналов называется системой электросвязи или телекоммуникационной системой. Совокупность телекоммуникационных систем, объединенных по принципам территориального расположения, функционирования и подчиненности, называется сетью электросвязи (сетью связи), или телекоммуникационной сетью.

 

Таблица 5.1

Виды телекоммуникационной сети	Виды услуг	Виды представления информации
Телефонные сети	Интерактивные услуги	Только голосовая информация
Радиосети	Широковещательные услуги	Только голосовая информация
Телевизионные сети	Широковещательные услуги	Голос и изображение
Сети передачи данных (компьютерные сети)		Алфавитно – цифровые связи

 

Любая сеть связи представляет собой совокупность узлов связи, оконечных пунктов и линий (каналов) связи. Основной функцией сети является доставка сообщений в соответствии с заданным адресом, при этом должны быть обеспечены необходимые качественные показатели по скорости передачи или времени доставки, верности, надежности и стоимости.

В телекоммуникационную сеть входят следующие основные элементы:

-               СРЕ (Customer Premises Equipment) пользовательскими устройствами (терминальное оборудование ТО, оконечный пункт – ОП, абонентский пункт – АП) будут телефоны, факсы, компьютеры, модемы и др., определяемые как принадлежащее по­требителю оборудование.

-               Сетевой узел (network node) уста­навливает, поддерживает и прекращает временное соединение между устрой­ствами на противоположных концах. Сетевые узлы, чем бы они не являлись, обычно принимают трафик через входной порт (input port), определяют, куда он идет (на основе некоторого правила или набора правил), и выводят трафик через выходной порт (output port). Легче всего определить направление трафика по таблице точек назначения, обслуживаемой и обновляемой в самом сетевом узле. Существует мно­го вариантов направления трафика.

Пользовательские устройства соединяются с сетевыми узлами по линиям интерфейса пользователь-сеть (UNI, user-network interface).

Сетевые узлы соединяются по ли­ниям интерфейса сетевых узлов (NNI, network node interface), которые могут отли­чаться по скорости, используемо-му носителю и расстоянию (см. рисунок 5.1). Межсетевой интерфейс определяет порядок взаимодействия между различными сетевыми элементами (коммутаторами, маршрутизаторами), входящие в разные подсети.

 

 

Рисунок 5.1 – Варианты направления трафика

 

Топология сети – это конфигурация соединения ее элементов. Основу современных сетей связи составляют проводные линии, выполненные на электрических и оптических кабелях, а также радиолинии. Сетевая топология описывает физические и логические связи между территориально удаленными узлами сети и позволяет создать множество различных конфигураций: 

1) Полносвязанная  (Ячеистая). Сеть с избыточными межузловыми соединениями. В полносвязанной сети, каждый узел связан со всеми другими узлами сети, что обеспечивает высокую надежность, но требует значительных сетевых ресурсов и усложняет реализацию.

2) Узловая конфигурация. Городские телефонная сеть (ГТС).

3) Звезда. Все устройства соединены с центральным хабом (hub). Узлы связываются между собой, посылая данные через хаб.

4) Двойная звезда. Зоновая телефонная сеть, ЛВС Ethernet.

5) Кольцо. Каждое устройство соединяется с двумя другими, образуя замкнутое кольцо. ГТС, SDH, сеть абонентского доступа, ЛВС Token Ring.

6) Двойное кольцо. Каждое устройство соединяется с двумя другими, образуя замкнутое кольцо. ГТС, SDH, сеть абонентского доступа, ЛВС FDDI.

7) Общая шина. Все устройства подсоединены к центральному кабелю, называемому шиной (bus) или магистралью (backbone), ЛВС Ethernet.

8) Древовидная.  Телефонная сеть, ЛВС Ethernet.

Магистральные линии действующей сети образуют сетевидную структуру: между любыми сетевыми узлами имеются, по крайней мере, два–три независимых пути соединения. Это обеспечивает экономичность и высокую надежность сети. Зоновые сети имеют радиально-узловую топологию, к ней добавляется принцип соединения каждый с каждым для групп АТС, звездообразное подключение абонентов к станции, а также рокадный, т.е. круговой принцип прохождения связей поперек радиусов в обход узлов. Развитие СТОП идет в направлении широкого внедрения новых кольцевых структур, особенно на вновь строящихся телекоммуникационных сетях – локальных сетей.

 

 

Лекция 6. Телефонная сеть общего пользования

Цель лекции: изучение телефонной сети общего пользования и ее элементов. Ознакомление с классификацией ТФОП. Изучение линий связи и методов коммутации.

 

Традиционно различают следующие виды телефонных сетей общего пользования: городские, сельские, зоновые и междугородные. Городские телефонные сети (ГТС) обеспечивают телефонную связь на территории более или менее крупного города и его ближайших пригородов. Сельские телефонные сети (СТС) обеспечивают телефонную связь в пределах сельских административных районов. Сети этих двух видов объединяет общее название местные телефонные сети. Зоновые телефонные сети – это комплекс сооружений, которые предназначены для связи между абонентами нескольких разных местных телефонных сетей, расположенных на территории одной телефонной зоны. Территории телефонных зон часто совпадают с территориями областей, краев и иных административных образований. Междугородная телефонная сеть – это комплекс сооружений, которые предназначены для организации связи между абонентами. Все названные сети вместе образуют телефонную сеть общего пользования (СТОП). Обязательное требование к СТОП – полная связность между всеми местными, национальными и региональными телефонными сетями. Помимо СТОП существуют также учрежденческие, ведомственные, корпоративные телефонные сети, которые обеспечивают внутреннюю телефонную связь предприятий, учреждений, корпораций, организаций. Такие сети могут быть и полностью автономными, но чаще всего они имеют доступ к телефонной сети общего пользования.

 

Рисунок 6.1- Телефонные сети

 

Телефонные сети, вне зависимости от масштабов и сложности, состоят из элементов, которые можно объединить в три группы:

-        абонентские терминалы (обычно – телефонные аппараты);

-        линии связи (абонентские и соединительные линии);

-        центры коммутации или телефонные станции.

Различают два основных вида линий, соединяющих узлы телефонной сети, то есть абонентские устройства и АТС: абонентские линии (АЛ) и соединительные линии (СЛ).Пользовательскими устройствами (абонентскими терминалами) в СТОП будут телефоны, факсы, модемы, определяемые как принадлежащее по­требителю оборудование (СРЕ, Customer Premises   Equipment). Пользовательские устройства соединяются с сетевыми узлами по линиям интерфейса пользователь-сеть (UNI, user-network interface). Сетевые узлы соединяются по ли­ниям интерфейса сетевых узлов (NNI, network node interface). Коммутационные узлы и станции представляют собой совокупность технических средств, предназначенных для обработки вызовов, поступающих по абонентским и соединительным линиям сети, для предоставления инициаторам этих вызовов основных и дополнительных услуг связи, а также для учета и для начисления платы за услуги. Коммутация каналов может быть аналоговой и цифровой. Аналоговой коммутацией называется процесс, при котором соединение между конечными точками коммутируемого канала устанавливается посредством операций над аналоговым сигналом (с возможной его дискретизацией, но без преобразования в цифровую форму).

 

 

                

Рисунок 6.2 – Методы коммутации

Известны два основных принципа коммутации: непосредственное соединение и соединение с накоплением информации. При непосредственном соединении осуществляется физическое соединение входящих в УК (узел коммутации) каналов с соответствующими адресу исходящими каналами. При соединении с накоплением сообщений сигналы из входящих в УК каналов сначала записываются в запоминающее устройство, откуда через определенный промежуток времени поступают в исходящие каналы. В свою очередь, непосредственное соединение подразделяются на системы с отказом и системы с ожиданием. 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 оконечный пункт (ОП) с другим (например, в Тф связи). Пространственная коммутация – соединение пространственно разделенных каналов по электромеханической, электронной, цифровой или оптической технологии с использованием коммутационных элементов, построенных на базе той же технологии. Временная коммутация предусматривает возможность коммутировать в пространстве, но когда пространственно коммутируемый физический тракт достигает своего приемника в коммутационном поле, приемник получает команду выбирать только те данные, которые соответствуют определенному временному каналу. Частотная коммутация применяется, как правило, для коммутации телевизионных каналов и радиоканалов. 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) адресе. Известны две разновидности системы с накоплением: система коммутации сообщений (КС) и система коммутации пакетов (КП). Временной коммутатор меняет порядок следования каналов посредством изменения очередности соответствующих каждому каналу временных интервалов (квантов времени).

 

 

 

 

          Рисунок 6.3 –  Временной принцип коммутации

 

 

 

 

Рисунок 6.4 – Виды сигнализации в телефонных сетях связи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 6.6–  Пример межстанционной сигнализации

 

 

Рисунок 6.5 –  Пример сигнализации по абонентским линиям

 

 

Лекция 7. Стек протоколов TCP/IP

 

Цель лекции: изучение инкапсуляции пакетов в стеке протоколов TCP/IP. Ознакомление с базовыми протоколами.

 

TCP/IP - собирательное название для набора (стека) сетевых протоколов разных уровней, используемых в Интернет. Особенности TCP/IP: открытые стандарты протоколов, разрабатываемые независимо от программного и аппаратного обеспечения; независимость от физической среды передачи; система уникальной адресации; стандартизованные протоколы высокого уровня для распространенных пользовательских сервисов.

 

 

 

 

Рисунок 7.1 –  Стек протоколов            Рисунок 7.2 –  Пример инкапсуляции

 пакетов TCP/IP                                                               в  стеке TCP/IP

Стек протоколов TCP/IP делится на 4 уровня:

-        прикладной;

-        транспортный;

-        межсетевой;

-        физический и канальный.

Данные передаются в пакетах. Пакеты имеют заголовок и окончание, которые содержат служебную информацию. Данные  более верхних уровней вставляются в пакеты нижних уровней.

Основу этого уровня составляет IP-протокол (Internet Protocol). Протокол IP является маршрутизируемый, для его маршрутизации нужна маршрутная информация. Маршрутная информация может быть: статической (маршрутные таблицы прописываются вручную), динамической (маршрутную информацию распространяют специальные протоколы).

Протоколы динамической маршрутизации: RIP (Routing Information Protocol) - протокол передачи маршрутной информации, маршрутизаторы динамически создают маршрутные таблицы.

TCP (Transfer Control Protocol) – протокол контроля передачи, приме-няется в тех случаях, когда требуется гарантированная доставка сообщений.

UDP (Universal Datagram Protocol) - универсальный протокол передачи данных, более облегченный транспортный протокол, чем TCP и используется если не требуется гарантированная доставка пакетов.

Для управления передачей пакетов с закодированными речевыми сигналами по IP-сети требуется протокол управления каналом. Для этого используются два протокола. Первый – UDP, протокол пользовательских данных, а над ним  в стеке протоколов (см. рисунок 7.3) находится второй – RTP, протокол реального времени.

 

 

данные

 

 

Рисунок 7.3 –  Стек VoIP – протоколов

 

Для передачи трафика мультимедийных потоков RTP-протокол использует пакеты обычного формата. Структура кадра RTP показана на рисунке  7.4. Он состоит, как минимум, из 12 байтов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 7.4 –  VoIP – заголовки

 

RTP поддерживается другим протоколом – протоколом управления реального времени (Real Time Control Protocol, RTCP), который обеспечивает дополнительные отчеты, содержащие информацию о сеансах связи RTP. RTCP-протокол обеспечивает обратную связь с отправителями, а получателям потоков он предоставляет службы повышения качества, информацию о пакетах (потери, задержки, “дрожание”) и сквозную информацию о пользователе (приложении или потоке).

Существующие сети связи общего пользования с коммутацией каналов (СТОП) и коммутацией пакетов (СПД) в настоящее время не отвечают перечисленным выше требованиям. Ограниченные возможности традиционных сетей являются сдерживающим фактором на пути внедрения новых инфокоммуникационных услуг.

Это вынуждает учитывать наличие инфокоммуникационных услуг при планировании способов развития традиционных сетей связи в направлении создания мультисервисных сетей.

Сеть связи следующего поколения (NGN) - концепция построения сетей связи, обеспечивающих предоставление неограниченного набора услуг с гибкими возможностями по их управлению, персонализации и созданию новых услуг за счет унификации сетевых решений, предполагающая реализацию универсальной транспортной сети с распределенной коммутацией, вынесение функций предоставления услуг в оконечные сетевые узлы и интеграцию с традиционными сетями связи. Базовым принципом концепции NGN является отделение друг от друга функций переноса и коммутации, функций управления вызовом и функций управления услугами. На рисунке 60 показана архитектура NGN, предложенная МСЭ в рекомендации Y.1001. Она содержит ряд новых элементов по сравнению с моделями, привычными для специалистов по телефонии. Медиа-шлюз выполняет достаточно простые функции преобразования информационных потоков. Слева от медиа-шлюза показан RTP-поток, который формируется при использовании транспортного протокола реального времени (Real Time Transport Protocol), а справа – поток, образованный системой передачи с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ). Медиа-шлюз выполняет достаточно простые процедуры, но в крупной сети он должен обладать большой производительностью.

Медиа-шлюз управляется соответствующим контроллером MGC, который теперь более известен по названию Softswitch. Контроллеры могут быть связаны между собой, что показано на рисунке 60 пунктирной линией с надписью MGC/MGC. Контроллер взаимодействует также с интеллектуальной базой данных (Intelligent Database – ID). Над контроллером MGC показан шлюз сигнализации (SG). В сторону СТОП (или сотовой сети) шлюз сигнализации передает и принимает информацию по сети ОКС. В российской сети ОКС применяется подсистема пользователя ЦСИО – ISUP. Взаимодействие с контроллером MGC осуществляется через интерфейс, обозначенный как SG/MGC. Для связи с интеллектуальной базой данных определен интерфейс ID/SG. Для поддержки услуг ИС используется прикладной протокол Интеллектуальной сети – INAP.

Сети следующего поколения будут поддерживать одну платформу управления и иметь общее ядро и для мобильной, и для фиксированной связи. В итоге абоненты получат единый набор услуг: и для СТОП, и для IP-телефонии, и для мобильной сети. И первая из них – сохранение номера при переходе от одного оператора к другому.

 

Рисунок 7.5 –  Архитектура сети NGN по рекомендации МСЭ Y.1001

Архитектура сетей NGN предполагает создание мультисервисной сети, причем первой фазой этого процесса является развертывание структуры мультипротокольной коммутации (MPLS). Основные преимущества технологии MPLS заключены в возможности легкой организации виртуальных частных сетей второго и третьего уровней (MPLS VPN), в обеспечении эффективного использования пропускной способности каналов связи и гарантированного качества услуг.

 

Лекция 8. Сети с коммутацией пакетов

Цель лекции: изучение дейтаграммного механизма коммутации, изучение технологий глобальных сетей (X.25, Frame Relay и ATM).

 

Одним из подходов к решению задач проектирования интегральных сетей передачи данных либо их модернизации при переходе к новой технике и математическому обеспечению является метод имитационного моделирования. Как средство поддержки принятия решений метод позволяет провести обоснованный выбор аппаратуры передачи данных, оценить производительность сети при различных вариантах ее конфигурации и рабочей нагрузки. В качестве инструмента решения указанной выше задачи предлагается Диалоговая Автоматизированная Система Имитационного Моделирования (ДАСИМ) [1]. Система ориентирована на пользователя-непрофессионала в области программирования и обработки данных [2]. Более подробно технологию применения ДАСИМ при исследовании объектов большой размерности рассмотрим на примере построения модели пакетной сети передачи данных банка “Украина”. При этом цель разработки такой модели заключалась в обеспечении возможности решения следующих задач:

1)    выбора сетевого аппаратного обеспечения;

2) оценки производительности сети при разных вариантах топологии связей между центрами коммутации пакетов;

3) оценки влияния внешней нагрузки на характеристики функционирования сети;

4) оценки влияния объемов передаваемой информации на времена доставки сообщений;

5) оценки влияния длины пакета на эффективную скорость канала.

Разработанная имитационная модель банковской сети функционирует под управлением операционной системы UNIX (LINUX) на ПЭВМ, совместимых с IBM PC/AT. Модель содержит около 3000 устройств-имитаторов и требует для проведения экспериментов не менее 40 Мбайт оперативной памяти.

Дейтаграммный механизм основан на том, что все передаваемые пакеты обрабатываются независимо друг от друга, пакет за пакетом. Выбор следующего узла – например, коммутатора Ethernet или маршрутизатора IP/IPX – определяется адресом узла назначения, содержащегося в заголовке пакета. Для сети Ethernet таким адресом является МАС-адрес длиной 6 байт, а для сети IP – составной IP-адрес длиной 4 байт, включающий номер сети и номер узла. Решение о том, какому узлу передать пришедший пакет, принимается на основе таблицы, где содержится набор адресов назначения и адресная информация, однозначно определяющая следующий (транзитный или конечный) узел. Примерами протоколов с применением дейтаграммного механизма продвижения могут служить Ethernet, IP и IPX. С помощью виртуальных каналов данные передаются в сетях X.25, Frame Relay и ATM. Коммутаторы пакетной сети отличаются от коммутаторов каналов тем, что они имеют внутреннюю буферную память для временного хранения пакетов, если выходной порт коммутатора в момент принятия пакета занят передачей другого пакета. В этом случае пакет находится некоторое время в очереди пакетов в буферной памяти выходного порта, а когда до него дойдет очередь, он передается следующему коммутатору. Такая схема передачи данных позволяет сглаживать пульсацию трафика на магистральных связях между коммутаторами и тем самым наиболее эффективно использовать их для повышения пропускной способности сети в целом.

При организации взаимодействия могут быть использованы два основных типа протоколов. В протоколах с установлением соединения (connection-oriented network service, CONS) перед обменом данными отправитель и получатель должны сначала установить логическое соединение, то есть договориться о параметрах процедуры обмена, которые будут действовать только в рамках данного соединения. После завершения диалога они должны разорвать это соединение. Когда устанавливается новое соединение, переговорная процедура выполняется заново.

Вторая группа протоколов - протоколы без предварительного установления соединения (connectionless network service, CLNS). Такие протоколы называются также дейтаграммными протоколами. Отправитель просто передает сообщение, когда оно готово.

Информационный обмен в сети X.25 состоит из трех фаз:

-    установление вызова (виртуального канала);

-    информационный обмен по виртуальному каналу;

-    разрывание вызова (виртуального канала).

В Х.25 существует три типа устройств: DTE - data terminal equipment (оконечное оборудование), DCE - data communication equipment (коммуникационное оборудование), PSE - packet switching exchange (устройство пакетной коммутации).

 

             

Рисунок 8.1 – Взаимодействие DTE и DCE при установлении соединения

 

DTE1 посылает запрос на установление соединения другому DTE2, которое может принять или отклонить вызов. В положительном случае обе станции начинают общаться в полнодуплексном режиме по постоянному выделенному или коммутируемому виртуальному каналу.

 

        

Рисунок 8.2 – Взаимодействие DTE и DCE при разъединении                      (завершении соединения)

 

Протокол Х.25 предусматривает дуплексный канал связи между оконечным оборудованием DTE пакетной передачи данных и аппаратурой передачи данных DCE в сети PSPDN, причем аппаратные и программные возможности оборудования DTE позволяют реализовать три уровня стека протоколов Х.25. На физическом уровне стек Х.25 поддерживает протоколы Х.21 или Х.21bis. Доступные скорости передачи лежат в диапазоне от 300 бит/c до 2000 Кбит/c, причем скорость передачи данных может быть ограничена определенным протоколом физического уровня. На канальном используется сбалансированная процедура доступа (Link Access Procedure Balanced, LAPB), а на сетевом поддерживается протокол пакетного уровня Х.25 (Packet Layer Protocol, PLP), предоставляющий вышележащим уровням услугу с установлением соединения. На уровне PLP определены процедуры установления виртуальных соединений, передачи данных по этим соединениям и их разрыва.

Более поздний по сравнению с Х.25 протокол ретрансляции кадров (Frame Relay, FR) был разработан для расширения возможности коммутации пакетов Х.25 в сети ISDN. В технологии FR учтено, что современные каналы связи имеют малый коэффициент ошибок, и поэтому можно ограничиться механизмами их исправления на уровне пользователей. В результате за канальным уровнем оставлены только функции обнаружения ошибок и разграничения данных. Такая разгрузка позволила переместить функции сетевого уровня на канальный. Поле адреса используется для маршрутизации информации от множества источников вышележащего уровня. Теперь сеть коммутирует не пакеты, а кадры. Сама же технология названа ретрансляцией кадров. FR, подобно Х.25, определяет механизм предварительного установления соединения, а основной услугой FR является предоставление виртуальных каналов. При обнаружении ошибок кадр просто отбрасывается. Предусмотренный в стандарте FR набор параметров гарантирует заданное качество предоставляемой услуги, включая скорость доступа, т. е. скорость передачи данных по физическому каналу связи; согласованную скорость передачи информации СIR, c которой сеть в состоянии доставлять данные в течение определенного времени, и др. В заключение имеет смысл упомянуть еще одну технологию передачи данных в глобальных сетях – асинхронный режим передачи (Asynchronous Transfer Mode, АТМ). Подобно Х.25 и FR, она использует механизм предварительного установления соединения, но отличается от двух других наличием фиксированного размера блока данных, который называется ячейкой. Малый фиксированный размер ячейки позволяет реализовать АТМ аппаратно, благодаря чему задержка трафика реального времени, проходящего через сеть АТМ, весьма невелика. В результате возникла возможность объединения всех типов трафика на одной высокоскоростной коммутирующей платформе. Предусмотренный в АТМ механизм приоритезации трафика содержит четыре класса услуг АТМ, охватывающие все типы трафика, как уже существующие, так и те, которые могли бы появиться в будущем. Решение задачи оценки влияния длины пакета предполагает нахождение зависимости времен транспортировки данных от длины пакета. Выбор длины пакета зависит от количества абонентов сети, нагрузки на узлы коммутации, объемов транспортируемых сообщений и надежности каналов связи.

Методика выполнения эксперимента по нахождению оптимальной длины кадра состоит в следующем. Вначале производится расчет в граничных областях допустимых значений. При этом длина кадра может принимать значения от 64 до 1500 байт. Задание длины кадра осуществляется с помощью следующей синтаксической конструкции:

параметры пакетирования ::= <длина сообщения> | * , <длина кадра>

Инструкция <длина сообщения>, используемая для определения количества пакетов, может отсутствовать. Тогда при выполнении процедуры упаковки берется длина, установленная в момент генерации пакета сообщения.

В дальнейшем в зависимости от полученных оценок осуществляется поиск оптимального значения в областях, близких к одному из граничных значений. Изменение длины сообщения должно сопровождаться заменой параметров времен обслуживания на устройствах, имитирующих коммутаторы и каналы. При этом следует учитывать, что увеличение длины пакета приводит не только к возрастанию транзитных задержек, но и к уменьшению вероятности безошибочной передачи пакета по каналу связи. Поэтому в предложении время обслуживания, используемом для описания работы каналов, необходимо корректировать параметры вероятности выбора правила обслуживания, а также параметры, задаваемые при описании этого правила.

 

 

Список литературы

1.  Крухмалев В.В. Основы построения телекоммуникационных систем и сетей.-М.: Горячая линия – Телеком, 2004.

2.  Иванов В.И. Цифровые и аналоговые системы передачи. - М.: Горячая линия – Телеком, 2005.

3.  Слепов Н.Н. Синхронные цифровые сети SDH.- М., 1997.

4. Кириллов В. Многоканальные системы передачи. – Издательство «Новое знание», 2002.

5. Зингеренко А.М., Баева Н.Н., Тверецкий М.С. Системы многоканальной связи. – М.: Связь, 1980.

6. Баева Н. Н. Многоканальная электросвязь и РРЛ.- М.: Связь, 1988.

7. Нефедов В.И.Основы радиоэлектроники: Учеб. для вузов. - М.: Высш. шк., 2004.

8. Лазарев В.Г. Интеллектуальные цифровые сети: Справочник / Под ред. академика Н.А. Кузнецова. - М.: Финансы и статистика, 1996.

9. Телекоммуникационные системы и сети. Учебное пособие.- т. 2 –Радиосвязь, радиовещание, телевидение. –М.: Горячая линия –Телеком, 2004.

10. Баева Н.Н., Гордиенко В.Н. Многоканальные системы передачи: Учебник для вузов. – М.: Радио и связь, 1997.

11. Галкин В.А., Григорьев Ю.А. Телекоммуникации и сети. – М.: МГТУ им. Баумана Н.Э., 2003.

12. Телекоммуникационные системы и сети. Под ред. В.П.Шувалова: Учебное пособие. –т.1. – М.: Горячая линия-Телеком, 2003.

13. Гаранин М.В., Журавлев В.И. и др. Системы и сети передачи информации. – М.: Радио и связь, 2001.

14. Берганов И.Р., Гордиенко В.Н., Крухмалев В.В. Проектирование и техническая эксплуатация систем передачи. – М.: Радио и связь, 1989.

                                                                   

 Сводн. план  2013 г. поз. 285