1. Классификация телекоммуникационных систем

Под телекоммуникационными системами (ТС) принято понимать структуры и средства, предназначенные для передачи больших объёмов информации (как правило, в цифровой форме) посредством специально проложенных линий связи или радиоэфира. При этом предполагается обслуживание значительного количества пользователей систем (от нескольких тысяч). Телекоммуникационные системы включают такие структуры передачи информации, как телевещание (коллективное, кабельное, спутниковое, сотовое), телефонные сети общего пользования (ТфОП), сотовые системы связи (в том числе макро- и микро- сотовые), системы персонального вызова, спутниковые системы связи и навигационное оборудование, волоконные сети передачи информации.

Следует отметить, что основным требованием к системам связи является отсутствие факта прерывания связи, но допускается некоторое ухудшение качества передаваемого сообщения и ожидание установления связи.

Типы телекоммуникационных систем

По назначению телекоммуникационные системы группируются следующим образом:

  • системы телевещания;
  • системы связи (в т.ч. персонального вызова);
  • компьютерные сети.

По типу используемой среды передачи информации:

  • кабельные (традиционные медные);
  • оптоволоконные;
  • эфирные;
  • спутниковые.

По способу передачи информации:

  • аналоговые;
  • цифровые.

Системы связи подразделяются по мобильности на:

  • стационарные (традиционные абонентские линии);
  • подвижные.

Подвижные системы связи подразделяются по принципу охвата зоны обслуживания:

  • на микросотовые - DECT;
  • сотовые - NMT-450, D-AMPS, GSM, CDMA;
  • транкинговые (макросотовые, зоновые) – TETRA, SmarTrunk;
  • спутниковые.

Системы телевещания

Системы телевещания (ТВ) по способу доставки сигнала и зоне охвата подразделяются на:

  • сети телевизионного приёма;
  • «кабельные» (систем коллективного телевизионного приёма (СКТП));
  • технологии беспроводного высокоскоростного распределения мультимедийной информации MMDS , MVDS и LMDS;
  • спутниковые.

Сети телевизионного приёма, исторически - самые первые ТС, доставляют сигнал к потребителю посредством ретрансляторов (релейных линий связи), охватывающих территорию России (густонаселенные регионы). Расстояние между ретрансляторами составляет порядка 40-80 км.

На современном этапе развитие техники коллективного телевизионного приёма связано с созданием систем кабельного телевидения (СКТ), каждая из которых может обслуживать до нескольких десятков тысяч абонентов. Использование таких систем позволяет решать вопросы обеспечения качественной доставки программ в районах со сложными условиями приёма, а также обеспечить передачу абонентам дополнительной информации - телетекстовой информации, каналы спутникового вещания.

Системы коллективного телевизионного приёма в зависимости от объёма охватываемых абонентов разделяют следующим образом:

  • системы коллективного телевизионного приёма;
  • крупные системы коллективного телевизионного приёма;
  • системы кабельного телевидения.

При этом принимается, что СКТП рассчитаны на обслуживание абонентов одного подъезда или здания, КСКТП - нескольких зданий, СКТ - большого жилого массива. К отличительным особенностям СКТ следует отнести также технико-экономическую целесообразность использования в них наряду с эфирным приёмом в стандартных каналах ТВ и радиовещания других видов программ (спутниковых, локальных видеостудий и пр.). Следует отметить, что необходимым условием успешного развития СКТ является выбор такой схемы построения, при которой можно использовать в качестве низших звеньев распределительных сетей линий КСКТП и СКТП без существенных переделок, иначе реализация СКТ в районах со сложившейся застройкой связана с большими дополнительными капитальными затратами.

Системы спутникового телевидения получили новое развитие в направлении создания недорогих установок индивидуального приема программ спутникового телевидения. Трансляция программ телевидения через системы спутникового телевизионного вещания (СТВ) оказалась экономически выгодной для небольших территории. По ряду энергетических параметров подходящим диапазоном частот является диапазон в области 12 ГГц: на этих частотах сравнительно невелики потери в осадках (в Европе изменение затухания из-за осадков не превышает 3,3 дБ в течение 99,9% времени, приемлемы размеры антенн (диаметром 2 м) с узкой диаграммой направленности, разработана сравнительно дешевая элементная база.

Для прямой трансляции телевизионных программ используют геостационарные спутники. Спутники для передачи телевизионных программ делятся на:

  • спутники дальней связи для телефонной связи, передачи информации и передачи телевизионных программ;
  • спутники перераспределения телевизионных программ, например, на кабельные сети;
  • спутники для передачи программ телевидения и радиовещания непосредственно на индивидуальные приемники, ТВ-спутники: в английском обозначении DBS (спутник прямого вещания), в немецком обозначении SDE (спутник прямого приема);

Системы подвижной связи

Сотовые системы подвижной связи (СПС), сети персонального радиовызова (СПР) и системы спутниковой связи предназначены для передачи данных и обеспечения подвижных и стационарных объектов телефонной связью. Передача данных подвижному абоненту резко расширяет его возможности, поскольку, кроме телефонных, он может принимать телексные и факсимильные сообщения, различного рода графическую информацию и пр. Увеличение объема информации требует сокращения времени на ее передачу и получение, в следствие чего наблюдается устойчивый рост производства мобильных средств радиосвязи (пейджеров, сотовых радиотелефонов, спутниковых пользовательских терминалов).

Основное преимущество СПС: подвижная связь позволяет абоненту получать услуги связи в любой точке в пределах зон действия наземных или спутниковых сетей; благодаря прогрессу в технологии производства средств связи созданы малогабаритные универсальные абонентские терминалы (AT). СПС представляют потребителям возможность выхода в телефонную сеть общего пользования (ТфОП), передачу компьютерных данных.

К сетям подвижной связи относятся: сети сотовой подвижной связи (ССПС); сети транкинговой связи (СТС); сети персонального радиовызова (СПР); сети персональной спутниковой (мобильной) связи.

Сети сотовой подвижной связи

Среди современных телекоммуникационных средств наиболее стремительно развиваются сети сотовой радиотелефонной связи. Их внедрение позволило решить проблему экономичного использования выделенной полосы радиочастот путем передачи сообщений на одних и тех же частотах, но в разных зонах (сотах) и увеличить пропускную способность телекоммуникационных сетей. Свое название они получили в соответствии с сотовым принципом организации связи, согласно которому зона обслуживания делится на ячейки (соты).

Система сотовой связи - это сложная и гибкая техническая система, допускающая большое разнообразие по вариантам конфигурации и набору выполняемых функций. Она может обеспечивать передачу речи и других видов информации. Для передачи речи, в свою очередь, может быть реализована обычная двухсторонняя и многосторонняя телефонная связь (конференцсвязь - с участием в разговоре более двух абонентов одновременно), голосовая почта. При организации обычного телефонного разговора возможны режимы автодозвона, ожидания вызова, переадресации (условной или безусловной) вызова и пр.

Современные технологии позволяют обеспечить абонентам ССС высокое качество речевых сообщений, надежность и конфиденциальность связи, миниатюрность радиотелефонов, защиту от несанкционированного доступа.

Сети транкинговой связи

Сети транкинговой связи в некоторой степени близки к сотовым: это также сети наземной радиотелефонной подвижной связи, обеспечивающие мобильность абонентов в пределах достаточно большой зоны обслуживания. Основное отличие состоит в том, что СТС проще по принципам построения и предоставляют абонентам меньший набор услуг, но за счет этого они дешевле сотовых. СТС имеют значительно меньшую емкость, чем сотовые, и принципиально ориентированы на ведомственную (корпоративную) мобильную связь. Основное применение СТС - корпоративная (служебная, ведомственная) связь, например, оперативная связь пожарной службы с числом выходов (каналов) «в город», значительно меньшим числа абонентов системы. Основными требованиями к СТС являются: обеспечение связи в заданной зоне обслуживания независимо от местоположения подвижных абонентов (МА); возможность взаимодействия отдельных групп абонентов и организации циркулярной связи; оперативность управления связью, в том числе на различных уровнях; обеспечение связи через центры управления; возможность приоритетного установления каналов связи; низкие энергетические затраты подвижной станции (ПС); конфиденциальность разговоров.

Название транкинговой связи происходит от английского trunk (ствол) и отражает то обстоятельство, что ствол связи в такой системе содержит несколько физических (как правило, частотных) каналов, каждый из которых может быть предоставлен любому из абонентов системы. Указанная особенность отличает СТС от предшествовавших ей систем двухсторонней радиосвязи, в которых каждый абонент имел возможность доступа лишь к одному каналу, но последний должен был поочередно обслуживать ряд абонентов. СТС по сравнению с такими системами обладают значительно более высокой емкостью (пропускной способностью) при тех же показателях качества обслуживания.

Если использовать аналогию с сотовой связью, то в простейшем случае СТС - это одна ячейка сотовой системы, но при несколько специфическом (узком) наборе услуг. Сотовая сеть всегда строится в виде множества ячеек, замыкающихся на общий центр коммутации (ЦК), с передачей обслуживания из ячейки в ячейку по мере перемещения абонента. При необходимости наращивания емкости сотовой сети производится дополнительное дробление ячеек с соответствующей модификацией частотного плана (распределения частот по ячейкам). В СТС, заведомо идущей на функционирование с ограниченной емкостью, обычно стремятся предельно увеличить зону действия. Практически, радиус ячейки СТС может достигать 40-50 км и более. Отсюда вытекает большая по сравнению с сотовой связью мощность передатчика, больший расход энергии источника питания, большие габариты и масса абонентского оборудования.

Даже если СТС строится в виде нескольких ячеек (многозоновая система), это делается в первую очередь с целью расширения зоны действия, а не ради повышения емкости; при этом размеры ячеек (зон) остаются достаточно большими. Централизованное управление совокупностью зон остается при этом ограниченным, как и передача обслуживания из зоны в зону, которая (если она вообще реализуется) приводит к кратковременному прерыванию связи.

Для повышения пропускной способности обычно накладываются ограничения на длительность разговора, а специфика корпоративной связи находит отражение в системе приоритетов пользователей, учитываемых при предоставлении канала связи в условиях очереди, и в объединении абонентов в группы с возможностью диспетчерского вызова одновременно всех абонентов группы. Та же специфика обусловливает более высокие, в среднем, по сравнению с сотовой связью, требования к оперативности и надежности установления связи. Кроме речевой информации в СТС возможна передача и некоторых других видов информации, в частности, цифровой - управления, телеметрии, охранной сигнализации и др.

Общей тенденцией развития профессиональных систем подвижной радиосвязи является переход от аналоговых стандартов к единым международным цифровым стандартам, обеспечивающим конфиденциальность и повышенное качество связи, более эффективное использование частотного диапазона, роуминг для всех абонентов и возможность передачи данных с высокой скоростью.

Сети персонального радиовызова

Сети персонального радиовызова (СПР), или пейджинговые сети (paging - вызов), - это сети односторонней мобильной связи, обеспечивающие передачу коротких сообщений из центра системы (с пейджингового терминала) на миниатюрные абонентские приемники (пейджеры).

В простейшем случае СПР состоит из пейджингового терминала (ПТ), базовой станции (БС) и пейджеров. Терминал, включающий пульт оператора и контроллер системы, выполняет все функции управления системой. БС состоит из радиопередатчика и антенно-фидерного устройства, и обеспечивает передачу пейджинговых сигналов на всю зону действия системы, радиус которой может составлять до 100 км. Пейджеры осуществляют прием тех сообщений, которые им адресованы. В более сложных случаях СПР может иметь несколько радиопередатчиков, по возможности равномерно распределенных в пределах зоны действия, что позволяет более надежно обеспечить связью всю зону.

В СПР могут передаваться сообщения четырех типов: тональные, цифровые, буквенно-цифровые, речевые. Тональные сообщения были единственным типом сообщений в ранних моделях пейджеров. Цифровое сообщение может содержать номер телефона, по которому следует позвонить. Наиболее распространена передача текстового сообщения длиной до 100-200 символов. Сообщение отображается на дисплее пейджера, который может иметь от одной до восьми строк, до 12-20 символов в строке, длинные сообщения отображаются по частям. Передача речевых сообщений широкого распространения пока не получила. Вызов абонента, т.е. адресация сообщения, может осуществляться одним из трех способов: индивидуально, нескольким абонентам (общий вызов) или группе абонентов (групповой вызов (ГВ)). В первом случае вызов адресуется конкретному абоненту по его индивидуальному номеру, во втором - нескольким абонентам с последовательной передачей их индивидуальных номеров, в третьем - вызов адресуется одновременно группе абонентов по общему групповому номеру. Сообщения, подлежащие передаче, также вводятся в систему одним из трех способов: голосом через телефонную сеть и оператора пейджинговой связи; через телефонную сеть с тональным набором - сообщение набирается на клавиатуре телефонного аппарата и проходит сразу на пейджинговый терминал, минуя оператора; с компьютера (через телефонную сеть) с набором сообщения на компьютере и выходом непосредственно на ПТ.

К недостаткам пейджинговой связи следует отнести передачу сообщения вне реального времени: сообщение передается не в момент его выдачи отправителем, а в порядке очереди с аналогичными сообщениями других отправителей; практически задержка от момента получения сообщения до его передачи в эфир невелика - обычно она не превышает нескольких минут. Следует иметь так же в виду, что в случае передачи сообщения на пейджер, находящийся на момент передачи в «теневой» зоне, сообщение будет потеряно (не получено абонентом).

Асинхронность (очерёдность) передачи сообщений в сочетании с краткостью последних, передаваемых, как правило, только в одну сторону, обеспечивается весьма эффективное использование канала связи, по меньшей мере, на два порядка более эффективное (по числу обслуживаемых абонентов), чем в сотовой связи, даже с учетом повторного использования частот в последней. В результате пейджинг оказывается технически проще и экономичнее сотовой связи, т.е., в конечном итоге, значительно дешевле для абонента.

Кроме сообщений, предназначенных конкретным абонентам или группам абонентов, в пейджинговых системах обычно организуется своеобразный общий информационный канал, содержащий оперативную информацию о биржевых новостях, погоде, обстановке на дорогах и т.п. В пейджерах, как правило, предусматривается ряд дополнительных услуг: часы, календарь, возможность регулировки типа и громкости звукового сигнала, сохранение в памяти полученных ранее сообщений с возможностью их повторного чтения и др.

Сети персонального радиовызова предоставляют услуги удобного и относительно дешевого вида мобильной связи, но с существенными ограничениями: связь односторонняя, не в реальном времени и только в виде коротких сообщений. СПР получили в мире довольно широкое распространение - в целом, того же порядка, что и сети сотовой связи, хотя их распространенность в разных странах существенно различается.

Сети мобильной спутниковой связи

Наряду со ставшими уже общедоступными СПС (персонального радиовызова и сотовыми), все более активно развиваются сети спутниковой связи. Актуальными являются следующие области применения мобильной спутниковой связи:

  • расширение сотовых сетей;
  • использование спутниковой связи в районах, где развертывание СПС нецелесообразно, например, из-за низкой плотности населения;
  • использование спутниковой связи в дополнение к существующей сотовой, например, для обеспечения роуминга при несовместимости стандартов, или в каких-либо чрезвычайных ситуациях;
  • стационарная беспроводная связь в районах с малой плотностью населения при отсутствии СПС и проводной связи;
  • при передаче информации в глобальном масштабе (акваториях Мирового океана, местах разрывов наземной инфраструктуры и т.д.).

В частности, при удалении абонента за пределы зоны обслуживания местных сотовых сетей спутниковая связь играет ключевую роль, поскольку она не имеет ограничений по привязке абонента к конкретной местности. Во многих регионах мира спрос на услуги подвижной связи может быть эффективно удовлетворен только с помощью спутниковых систем.

Спутниковая связь достаточно органично сочетается с сотовой. Практически во всех СПСС предусматривается довольно высокая степень интеграции с сотовой связью; в частности, кроме AT, предназначенных для спутниковых систем, предполагается создание двухрежимных терминалов, предназначенных для работы в спутниковой системе и в каком-либо из сотовых стандартов.

Для абонента пользование спутниковым терминалом не требует специальных знаний. Набор номера производится пользователем с помощью клавиатуры, как и при пользовании обычным телефоном. Система автоматически выделяет свободный канал и закрепляет его за собеседниками на время разговора. Как правило, используется уплотнение (временное, частное или кодовое), хорошо зарекомендовавшее себя в многоканальной связи.

Безусловно, оборудование (не только абонентское) сетей спутниковой связи является более дорогим, чем у ССС, соответственно, и значительно выше абонентская плата. Некоторое неудобство представляет и задержка речевого сигнала в силу удаленности базовой (спутниковой) станции (порядка 36 000 км), составляющая доли секунды.

Различные СПСС обладают своими особенностями, обусловленными, главным образом, характеристиками их орбитальных группировок, но в сфере пользовательских характеристик и предоставляемых услуг они имеют много общего (как между собой, так и с наземными сотовыми системами). Передача всех видов информации ведется в цифровой форме со скоростями от 1200 до 9600 бит/с. Телефонный режим организуется с помощью встроенных в AT устройств преобразования скорости передачи сигналов. Кроме дуплексной телефонной связи, персональные AT позволяют подключать компьютер и поддерживают разнообразный набор услуг, таких, как передача факсимильных сообщений, электронная и голосовая почта, персональный вызов и приоритетное обслуживание, шифрование, а также определение местоположения абонента.

Волоконно-оптические сети

Волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС) - это вид системы передачи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, известным под названием "оптическое волокно". Волоконно-оптическая сеть - это информационная сеть, связующими элементами между узлами которой являются волоконно-оптические линии связи. Технологии волоконно-оптических сетей, помимо вопросов волоконной оптики, охватывают также вопросы, касающиеся электронного передающего оборудования, его стандартизации, протоколов передачи, вопросы топологии сети и общие вопросы построения сетей.

Преимущества ВОЛС

Широкая полоса пропускания - обусловлена чрезвычайно высокой частотой несущей 1014 ГГц. Это дает потенциальную возможность передачи по одному оптическому волокну потока информации в несколько терабит в секунду. Большая полоса пропускания - это одно из наиболее важных преимуществ оптического волокна над медной или любой другой средой передачи информации.

Малое затухание светового сигнала в волокне. Выпускаемое в настоящее время отечественными и зарубежными производителями промышленное оптическое волокно имеет затухание 0,2-0,3 дБ на длине волны 1,55 мкм в расчете на один километр. Малое затухание и небольшая дисперсия позволяют строить участки линий без ретрансляции протяженностью до 100 км и более.

Низкий уровень шумов в волоконно-оптическом кабеле позволяет увеличить полосу пропускания путем передачи различной модуляции сигналов с малой избыточностью кода.

Высокая помехозащищенность. Поскольку волокно изготовлено из диэлектрического материала, оно невосприимчиво к электромагнитным помехам со стороны окружающих медных кабельных систем и электрического оборудования, способного индуцировать электромагнитное излучение (линии электропередачи, электродвигательные установки и т.д.). В многоволоконных кабелях также не возникает проблемы перекрестного влияния электромагнитного излучения, присущей многопарным медным кабелям.

Малый вес и объем. Волоконно-оптические кабели (ВОК) имеют меньший вес и объем по сравнению с медными кабелями в расчете на одну и ту же пропускную способность. Например, 900-парный телефонный кабель диаметром 7,5 см может быть заменен одним волокном диаметром 0,1 см. Если волокно "одеть" во множество защитных оболочек и покрыть стальной ленточной броней, диаметр такого ВОК будет 1,5 см, что в несколько раз меньше рассматриваемого телефонного кабеля.

Высокая защищенность от несанкционированного доступа. Поскольку ВОК практически не излучает в радиодиапазоне, то передаваемую по нему информацию трудно подслушать, не нарушая приема-передачи. Системы мониторинга (непрерывного контроля) целостности оптической линии связи, используя свойства высокой чувствительности волокна, могут мгновенно отключить "взламываемый" канал связи и подать сигнал тревоги. Сенсорные системы, использующие интерференционные эффекты распространяемых световых сигналов (как по разным волокнам, так и разной поляризации) имеют очень высокую чувствительность к колебаниям, к небольшим перепадам давления. Такие системы особенно необходимы при создании линий связи в правительственных, банковских и некоторых других специальных службах, предъявляющих повышенные требования к защите данных.

Гальваническая развязка элементов сети. Данное преимущество оптического волокна заключается в его изолирующем свойстве. Волокно помогает избежать электрических "земельных" петель, которые могут возникать, когда два сетевых устройства неизолированной вычислительной сети, связанные медным кабелем, имеют заземления в разных точках здания, например, на разных этажах. При этом может возникнуть большая разность потенциалов, что способно повредить сетевое оборудование. Для волокна этой проблемы просто нет.

Взрыво- и пожаробезопасность. Из-за отсутствия искрообразования оптическое волокно повышает безопасность сети на химических, нефтеперерабатывающих предприятиях, при обслуживании технологических процессов повышенного риска.

Экономичность ВОК. Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличие от меди. В настоящее время стоимость волокна по отношению к медной паре соотносится как 2:5. При этом ВОК позволяет передавать сигналы на значительно большие расстояния без ретрансляции. Количество повторителей на протяженных линиях сокращается при использовании ВОК. При использовании солитонных систем передачи достигнуты дальности в 4000 км без регенерации (то есть, только с использованием оптических усилителей на промежуточных узлах) при скорости передачи выше 10 Гбит/с.

Длительность срока эксплуатации. Со временем волокно испытывает деградацию. Это означает, что затухание в проложенном кабеле постепенно возрастает. Однако, благодаря совершенству современных технологий производства оптических волокон, этот процесс значительно замедлен, и срок службы ВОК составляет примерно 25 лет. За это время может смениться несколько поколений/стандартов приемо-передающих систем.

Удаленное электропитание. В некоторых случаях требуется удаленное электропитание узла информационной сети. Оптическое волокно не способно выполнять функции силового кабеля. Однако в этих случаях можно использовать смешанный кабель, когда наряду с оптическими волокнами кабель оснащается медным проводящим элементом. Такой кабель широко используется как в России, так и за рубежом.

Несмотря на многочисленные преимущества перед другими способами передачи информации, волоконно-оптические сети имеют также и недостатки, главным образом из-за дороговизны прецизионного монтажного оборудования и надежности лазерных источников излучения. Многие из недостатков, вероятнее всего, будут нивелированы с приходом новых конкурентоспособных технологий в волоконно-оптические сети.

Недостатки ВОЛС

Стоимость интерфейсного оборудования. Электрические сигналы должны преобразовываться в оптические, и наоборот. Цена на оптические передатчики и приемники остается пока еще довольно высокой. При создании оптической линии связи также требуются высоконадежное специализированное пассивное коммутационное оборудование, оптические соединители с малыми потерями и большим ресурсом на подключение-отключение, оптические разветвители, аттенюаторы.

Монтаж и обслуживание оптических линий. Стоимость работ по монтажу, тестированию и поддержке волоконно-оптических линий связи также остается высокой. Если же повреждается ВОК, то необходимо осуществлять сварку волокон в месте разрыва и защищать этот участок кабеля от воздействия внешней среды. Производители тем временем поставляют на рынок все более совершенные инструменты для монтажных работ с ВОК, снижая цену на них.

Требование специальной защиты волокна. Прочно ли оптическое волокно? Теоретически - да. Стекло, как материал, выдерживает колоссальные нагрузки с пределом прочности на разрыв выше 1ГПа (109 Н/м2). Это, казалось бы, означает, что волокно в единичном количестве с диаметром 125 мкм выдержит вес гири в 1 кг. К сожалению, на практике это не достигается. Причина в том, что оптическое волокно, каким бы совершенным оно ни было, имеет микротрещины, которые инициируют разрыв. Для повышения надежности оптическое волокно при изготовлении покрывается специальным лаком на основе эпоксиакрилата, а сам оптический кабель упрочняется, например, нитями на основе кевлара (kevlar). Если требуется удовлетворить еще более жестким условиям на разрыв, кабель может упрочняться специальным стальным тросом или стеклопластиковыми стержнями. Но все это влечет увеличение стоимости оптического кабеля.

Преимущества от применения волоконно-оптических линий связи настолько значительны, что, несмотря на перечисленные недостатки оптического волокна, дальнейшие перспективы развития технологии ВОЛС в информационных сетях более чем очевидны.

Мобильные системы связи


*****
© Банк лекций Siblec.ru
Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.