Вы нашли то, что искали?
Главная Разделы

Добавить страницу в закладки ->

Основы построения современных систем и сетей абонентского доступа. Учебное пособие

Основы построения современных систем и сетей абонентского доступа

1. Теоретические основы построения современных систем и сетей абонентского доступа

1.1. Основы построения современных сетей электросвязи

1.2. Архитектура сети электросвязи "первичная сеть – вторичные сети"

1.3. Архитектура сети электросвязи "транспортная сеть – сети доступа"

1.4. Основы построения сетей и систем абонентского доступа

2. Организация абонентского доступа на основе телефонных модемов

2.1. Общая характеристика современных телефонных модемов

2.2. Принципы построения типового телефонного модема

3. Организация абонентского доступа на основе цифровых абонентских линий

3.1. Общая характеристика и классификация технологий цифровых абонентских линий

3.2. Особенности построения типового оборудования цифровых абонентских линий

4. Организация систем широкополосного проводного абонентского доступа

4.1. Организация абонентского доступа посредством концентрации абонентской нагрузки

4.1.1. Построение систем абонентского доступа на основе мультиплексоров

4.1.2. Построение систем абонентского доступа на основе УАТС

4.1.3. Организация абонентского доступа на основе цифровых абонентских концентраторов

4.2. Организация абонентского доступа на основе кабельных модемов

5. Принципы построения систем беспроводного абонентского доступа

5.1. Организация абонентского радиодоступа

5.2. Организация атмосферного оптического (инфракрасного) абонентского доступа

6. Абонентский доступ на основе интерфейсов семейства V5

7. Особенности построения систем абонентского доступа NGN

7.1. Принципы архитектурного построения NGN сетей и их систем абонентского доступа

7.2. Особенности построения типового оборудования систем абонентского доступа NGN

8. Основы проектирования сетей и систем абонентского доступа

9. Тенденции развития технологий абонентского доступа

Список сокращений

АЛ

– абонентская линия

АМТС

– автоматическая междугородная телефонная станция

АОСП

– атмосферная оптическая система передачи

АСП

– аналоговая система передачи

АТА

– аналоговый телефонный аппарат

АТС

– автоматическая телефонная станция

АЦП

– аналого-цифровой преобразователь

ВВХ

– вероятностно-временные характеристики

ВОЛП

– волоконно-оптические линии передачи

ВРК

– временное разделение каналов

ВРНП

– временное разделение направлений передачи

ВСС

– вторичные сети связи

ГК

– гибкий коммутатор

ДВО

– дополнительные виды обслуживания

ДРНП

– дифференциальное разделение направлений передачи

ДС

– дифференциальная система

ЕСЭ РФ

– Единая сеть электросвязи Российской Федерации

ЗУ

– запоминающее устройство

ИКМ

– импульсно-кодовая модуляция

ИС

– интеллектуальная сеть

ИЦСС

– интегрированная цифровая сеть связи

КИ

– канальный интервал

КС

– канал связи

КТВ

– кабельное телевидение

КТЧ

– канал тональной частоты

ЛВС

– локальная вычислительная сеть

МП

– мультиплексор первичный

МР

– мультиплексор

МСЭ

– Международный союз электросвязи

НСД

– несанкционированный доступ

ОКС

– общий канал сигнализации

ООД

– оконечное оборудование данных

ОЦК

– основной цифровой канал

ПД

– передача данных

ППОМ

– приемопередающий оптический модуль

ПЦИ

– плезиохронная цифровая иерархия

ПЭВМ

– персональная электронно-вычислительная машина

СД

– сеть доступа

СК

– система коммутации

СЛ

– соединительная линия

СПД

– сеть передачи данных

СПС

– сеть подвижной связи

СС 7

– система сигнализации № 7

ССОП

– сеть связи общего пользования (мультисервисная)

СТфОП

– сеть телефонной связи общего пользования

СЦИ

– синхронная цифровая иерархия

ТВВЧ

– телевидение высокой четкости

УАТС

– учрежденческая автоматическая телефонная станция

УПС

– универсальная персональная связь

ТС

– транспортная сеть

УУ

– управляющее устройство

УЦСИС

– узкополосная сеть с интеграцией служб

ЧРНП

– частотное разделение направлений передачи

ЦАТС

– цифровая автоматическая телефонная станция

ЦВСС

– цифровая вторичная сеть связи

ЦОС

– цифровая обработка сигнала

ЦПСС

– цифровая первичная сеть связи

ЦСИС

– цифровая сеть с интеграцией служб

ЦСК

– цифровая система коммутации

ЦСП

– цифровая система передачи

ЦСС

– цифровая сеть связи

ЦТА

– цифровой телефонный аппарат

ЦТЭ

– центр технической эксплуатации

ШЦСИС

– широкополосная сеть с интеграцией служб

ЭМВОС

– эталонная модель взаимодействия открытых систем



1. Теоретические основы построения современных систем и сетей абонентского доступа

В соответствии с вступившим с 1 января 2004 года Федеральным законом "О связи" важнейшим элементом Федеральной связи РФ является Единая сеть электросвязи (ЕСЭ) РФ. Она объединяет расположенные на территории России сети электросвязи следующих категорий: сеть связи общего пользования (ССОП); выделенные сети связи; технологические сети связи, присоединенные к сети связи общего пользования; сети связи специального назначения и другие сети для передачи информации при помощи электромагнитных систем [9].

ЕСЭ РФ строится на базе комплексного применения различного телекоммуникационного оборудования. Каждый элемент ЕСЭ (каналообразующая аппаратура, направляющая система, узел коммутации, устройство контроля или блок управления), реализуя возложенные на него функции, способствует достижению единой цели – максимальному удовлетворению информационных потребностей пользователей.

Важным понятием при исследовании различных сетей электросвязи является служба электросвязи [1, 10], под которой следует понимать организационно-техническую структуру на базе сети связи (или совокупности сетей связи), обеспечивающую обслуживание пользователей с целью удовлетворения их потребностей в определенном наборе услуг электросвязи. Различают два основных типа служб электросвязи: службы переноса и телеслужбы (службы предоставления связи). Служба переноса обеспечивает только возможность передачи сигналов. Оконечные устройства не входят в службы переноса. Телеслужба обеспечивает полную реализацию (включая функции оконечных устройств) возможностей определенного вида связи между пользователями. Телеслужба организуется на базе службы переноса и оконечных устройств.

Одна или несколько служб электросвязи и одна или несколько сетей электросвязи могут входить в систему электросвязи, представляющую собой комплекс технических средств, осуществляющих электросвязь определенного вида. Принципы организации и функционирования систем электросвязи обусловливаются составом и взаимодействием элементов, ее составляющих.



1.1. Основы построения современных сетей электросвязи

К началу XXI века человечество пришло к осознанию того, что именно информационная сфера его деятельности сегодня определяет уровень социально-политического, экономического и культурного развития общества. Это обусловлено, главным образом, тем, что любая целенаправленная деятельность, любое управление связаны со сбором, обработкой и передачей информации, которая стала таким же стратегическим ресурсом, как материалы и энергия. В самом общем смысле информация понимается как любые сведения о каком-либо предмете (процессе, событии, факте и т. п.), представленные или с применением некоторого языка (набора символов), или в каком-либо другом виде (графическом, звуковом, видео и т. п.). Для того чтобы информацию можно было использовать в интересах управления, из нее должны быть своевременно выделены необходимые сведения требуемых объема и достоверности. Таким образом, неотъемлемой частью управления является процесс обработки информации, то есть ее преобразование, с целью получения необходимых сведений с заданными характеристиками.

В роли источников и приемников информации, как правило, выступают люди или устройства, обслуживаемые людьми. Очевидно, что последние могут находиться на большом расстоянии друг от друга, в связи с чем возникает необходимость передачи информации, под которой понимается пересылка сведений между пространственно удаленными источником и приемником информации.

Для удобства передачи информации в источнике, как правило, формируются одно или несколько сообщений. При этом под сообщением понимается имеющая признаки начала и конца форма представления информации, предназначенной для передачи. Физиологические способности человека определяют возможность восприятия им информации через посредство звука (речи, акустического сигнала и т. п.), изображения (неподвижного или подвижного) или в виде знаков некоторого алфавита. Поэтому сообщения формируются в одном из указанных видов и классифицируются соответствующим образом (речевые, звуковые, графические, видео, текстовые и т. д.).

Если два источника осуществляют передачу информации друг другу, одновременно являясь приемниками адресованных им сообщений, принято говорить, что реализуется процесс обмена информацией. С ростом количества источников и приемников один процесс обмена информации накладывается на другой, и возникает задача обеспечения доставки каждого конкретного сообщения тому приемнику, которому оно предназначалось. Обеспечение обмена информацией в условиях одновременного функционирования нескольких источников и приемников информации является процессом распределения информации.

В настоящее время для обработки, передачи и распределения информации часто используются электромагнитные волны (электрические сигналы) различных диапазонов, включая оптический. Электрические сигналы, несущие все необходимые и достаточные признаки передаваемого сообщения, называются сигналами электросвязи, или просто сигналами. Справедливо утверждение, что сигнал – это физический процесс (функция времени), отображающий сообщение.

Собственно термин "связь" можно трактовать как техническую основу передачи и приема информации между людьми или устройствами [1]. В ряде источников [2, 10] указывается, что в широком смысле понятие "связь" и является процессом передачи сообщений от источника к получателю.

Из указанного следует, что для передачи сообщения от источника к приемнику необходимо использовать технические средства, реализующие преобразование исходной информации в электрические сигналы, перенос этих сигналов из одной точки пространства в другую и обратного преобразования электрических сигналов в исходное сообщение. Технические средства передачи информации в виде электрических сигналов имеют обобщенное название "системы электросвязи". Конкретными примерами системы электросвязи являются система передачи, система коммутации и сеть связи.

Продукт функционирования системы электросвязи по приему, обработке, передаче и доставке сообщений принято определять как услугу электросвязи.

Здесь следует отметить, что любое физическое или юридическое лицо, являющееся потребителем услуг связи, как правило, называют пользователем. Термин "абонент" является более узким и применяется для обозначения только тех физических или юридических лиц, с которыми заключен договор об оказании ему услуг электросвязи с выделением абонентского номера. Очевидно, что именно потребители услуг связи являются источниками и приемниками информации, создающими потоки сообщений различных вида и назначения и предъявляющими к системе электросвязи требования по доставке и обработке информации с соблюдением заданных качественных и количественных показателей (по объемам, времени, надежности и т. п.).

В процессе эволюции систем электросвязи вместо аналоговых (непрерывных) сигналов для передачи и распределения информации все чаще стали применяться цифровые (дискретные) сигналы, которые до этого использовались преимущественно в системах обработки информации (ЭВМ, АСУ и т. п.). С тех пор информация, представленная в виде, пригодном как для обработки (хранения), так и для передачи, обозначается термином "данные". Пересылка данных при помощи технических средств связи называется передачей данных.

Применение средств вычислительной техники совместно со средствами связи позволило удовлетворить самые разнообразные информационные потребности людей. Появились новые виды услуг связи (передача факсимиле, электронная почта, видеоконференция и т. п.). Это, в свою очередь, потребовало установки у пользователя персональных средств обработки данных (факса, ЭВМ, видео-устройств и т. д.). Развитие этого направления систем электросвязи привело к появлению сетей передачи данных.

Сети электросвязи, обеспечивающие предоставление потребителям наряду с традиционными (телефонными, телеграфными, звукового и телевизионного вещания) услугами связи возможность передавать и принимать данные, стали называть телекоммуникационными сетями. Так как в настоящее время услуги передачи данных поддерживают практически все функционирующие системы электросвязи, понятия "сеть связи" и "телекоммуникационная сеть" стали практически синонимами.

Пункты распределения информации различных видов связи, объединенные в узлы связи, обеспечивают реализацию процессов ввода-вывода, пересылки сообщений по предназначению и составления путей их передачи. Перечисленные процессы составляют сущность понятия "коммутация", вследствие чего комплекс технических средств узла связи, реализующий эти процессы, называют системой коммутации.

Таким образом, система коммутации является системой распределения информации.

С точки зрения системного подхода сеть связи для системы коммутации является системой более высокого уровня (суперсистемой). Для потребителей информации распределение сообщений по предназначению обеспечивается сетью связи в целом. Поэтому сеть связи также можно считать системой распределения информации, только более высокого системного уровня.

Сети связи и системы коммутации, реализуя близкие по сущ-ности процессы распределения информации, имеют множество сходных черт и родственных характеристик. Во всем мире их развитие осуществляется взаимоувязанно и согласованно, на единых организационно-технических и технологических принципах.

В соответствии с мировыми тенденциями основным направлением совершенствования ЕСЭ РФ является ее цифровизация, т. е. процесс внедрения цифровых систем передачи (ЦСП), средств коммутации и управления, обеспечивающих передачу и распределение потоков информации в цифровом виде [1–7]. Однако этот процесс в субъектах РФ идет неравномерно.

Так, в ряде развитых регионов и крупных городах высокими темпами внедряют самые современные цифровые технологии передачи и распределения информации: асинхронный режим передачи ATM (Asynchronous Transfer Mode), коммутация по временным меткам MPLS (Multi-Protocol Label Switching) и др.  В менее развитых областях до сих пор применяется аналоговое оборудование передачи и коммутации, выслужившее установленные сроки эксплуатации.

В сложившихся условиях при исследовании теоретических (архитектурных) вопросов организации систем абонентского доступа имеют место два подхода [1, 8, 10], каждый из которых по-своему отражает специфику построения и функционирования телекоммуникаций, а также уровень развития конкретного фрагмента ЕСЭ РФ. Сущность первого подхода состоит в представлении сети электросвязи в виде традиционной архитектуры "первичная сеть–вторичные сети". Второй подход, нашедший свое применение в последние годы, предлагает представлять сеть электросвязи в виде архитектуры "транспортная сеть–сети доступа".



1.2. Архитектура сети электросвязи "первичная сеть – вторичные сети"

В период господства аналоговых систем передачи (АСП) предоставление услуг электросвязи (телефонная связь, телеграф, данных и др.) пользователям осуществлялось соответствующими сетями (телефонными, телеграфными, передачи данных и др.). При этом цифровые данные передавались посредством уплотнения типовых аналоговых каналов и трактов, т. е. на основе вторичного уплотнения. Такая организация сетей электросвязи позволила выделить в их составе такие структурные элементы, как первичные и вторичные сети связи.

Первичная сеть связи (ПСС) есть совокупность узлов, линий передачи, типовых физических цепей, типовых (универсальных) каналов передачи и сетевых трактов. Вторичные сети связи (ВСС) организуются с помощью узлов и станций коммутации различного вида информации (телефонной, телеграфной, данных) на основе типовых каналов и физических цепей первичной сети.

ПСС традиционно представлялась в виде трехуровневой иерархической системы (рис. 1.1): магистральная, внутризоновые и местные ПСС.

Рис. 1.1. Иерархическое представление первичной сети связи

ВСС по аналогии с ПСС также представляется иерархической структурой и включает междугородную (аналог магистральной для ПСС), местные, внутризоновые (зоновые) ВСС.

В общем случае магистральная ПСС представляет собой комплекс устройств и сооружений, предназначенных для образования типовых каналов и трактов между основными узлами различных зон связи.

В соответствии с [1] магистральные сети связи – технологически сопряженные междугородные сети электросвязи, образуемые между центром РФ и центрами субъектов РФ, а также между центрами субъектов РФ. Магистральный участок ЕСЭ РФ характеризуется наибольшей пропускной способностью и протяженностью линий передачи – до 12 500 км.

Внутризоновые сети связи можно определить как технологически сопряженные междугородные сети связи, образуемые в пределах территории одного или нескольких субъектов РФ. Зоной связи РФ называют территорию, на которой абоненты всех местных сетей охвачены единой семизначной нумерацией. Протяженность линий связи внутризоновой ПСС РФ может составлять до 600 км.

Местные сети связи – технологически сопряженные сети электросвязи, образуемые в пределах административной или определенной по иному принципу территории, не относящиеся к внутризоновым сетям связи. Местные сети подразделяются на городские и сельские и имеют наименьшие канальные емкости узлов и протяженности линий передачи (до 100 км).

Местные сети связи включают оконечные узлы (станции) ПСС и соединительные линии (СЛ) между ними. Элементами местных ПСС являются СЛ, соединяющие местные станции с узлами внутризоновых сетей. СЛ подключаются к станционным окончаниям узлов (станций). К абонентским окончаниям узлов (станций) местной сети всегда подключаются абонентские линии (АЛ), которые совместно с оконечным оборудованием пользователей образуют абонентские (терминальные) сети, или сети абонентского доступа. К узлам (станциям) магистральной и внутризоновых сетей связи АЛ могут не подключаться.

Абонентские сети (сети абонентского доступа) в архитектуре "первичная сеть–вторичные сети" относят к ВСС, так как каждая из них, как правило, предназначена для предоставления пользователю только одного определенного вида связи (телефонии, данных и т. д.). К вторичным сетям связи относят также каналы, образованные на основе типовых каналов и трактов ПСС и используемые для передачи сигналов этих видов связи. Распределение сообщений каждого из видов связи (в том числе резервирование ресурсов сети, оперативное переключение и другие функции в ходе обслуживания пользователей) осуществляют соответствующие коммутационные системы ВСС, размещаемые, как правило, на узлах (станциях) ПСС.

Здесь следует отметить, что ПСС исторически были сориентированы на предоставление услуг телефонии. Поэтому сеть телефонной связи общего пользования (СТфОП) повторяет иерархическое построение соответствующих ПСС (рис. 1.2).

Городские и сельские автоматические телефонные станции (АТС) устанавливаются на местных телефонных сетях. Зоновые телефонные сети строятся на базе автоматических международных телефонных станций (АМТС). На магистральном уровне сети телефонной связи представлены узлами автоматической коммутации (УАК).

 

УАК, как правило, не имеют абонентских окончаний и предназначены для обслуживания (перераспределения) транзитной телефонной нагрузки.

Логические структуры [3, 8] вторичных сетей других видов связи могут существенно отличаться от физических структур базовых ПСС. Сам процесс распределения информации для разных видов связи осуществляется в аналоговых ПСС по-разному. Требования по количеству типовых каналов ПСС для каждой ВСС также отличаются. На заре электросвязи именно это обусловило необходимость разделения функций образования типовых каналов (трактов) и функции предоставления определенных видов связи, что потребовало разработки отдельных средств контроля для типовых каналов (трактов) ПСС и каналов вторичного уплотнения. Так, например, о качестве аналоговых трактов ПСС можно судить по изменению уровней специализированных гармонических сигналов – линейных частот, а пригодность организованных по этим трактам каналов ПД – по коэффициенту битовой ошибки.

В  настоящее  время одна ПСС, как правило, является базисом для образования нескольких ВСС (телефонной, ПД и др.), что приводит к определенным трудностям в управлении системой связи в целом. Усложняется решение вопросов рационального распределения ресурсов ПСС, обеспечения надежности и живучести сформи-рованных ВСС. Например, не каждый канал АСП может быть использован под вторичное уплотнение, так как необходимо учитывать порог возможной загрузки групповых аналоговых трактов.

Ранее считалось, что в сетях с архитектурой "первичная сеть – вторичная сеть" достаточно просто решить задачи абонентского доступа. Сигналы каждого вида связи в таких сетях передаются и распределяются специализированными средствами, и, следовательно, необходима АЛ к соответствующей станции (узлу) ВСС. Однако с ростом числа сервисов связи стала ясна нецелесообразность прокладки пользователю нескольких специализированных АЛ (телефонной, ПД, кабельного телевидения и др.). Очевидно, что такое построение системы абонентского доступа характеризуется высокой стоимостью, структурной сложностью и низкой эффективностью использования ресурса пропускной способности.

В конце прошлого века была осознана объективная необходимость объединения на каждом сетевом узле (станции) коммутационных систем различных видов связи в интегрированные системы распределения разнородной информации. Одновременно начались работы по поиску возможностей предоставления всех видов связи пользователю по одной АЛ. Но только после разработки и широкого внедрения цифровых методов передачи, обработки и распределения информации наметился значительный прогресс в этой научно-технической отрасли.

Процесс перехода на цифровые технологии передачи и распределения информации обусловлен многими факторами. Основные из них [3, 7]:

  • цифровой сигнал легко регенерируется (восстанавливается). Параметры импульсов нормализованы (по времени и амплитуде), поэтому при передаче по каналу связи искаженную импульсную последовательность легко восстановить. Следовательно, в отличие от аналоговых сигналов, цифровой сигнал при передаче не накапливает шумы;
  • цифровизация дает возможность использовать дискретную логику, микросхемы и т. д., что способствует в целом миниатюризации оборудования связи;
  • применение унифицированной цифровой элементной базы позволяет строить функциональные узлы систем передачи и систем коммутации на единых организационно-технических принципах;
  • цифровой сигнал просто шифровать автоматическими средствами засекречивания.

В начальный период цифровизации ПСС РФ стали использоваться ЦСП, формирующие цифровые типовые каналы и тракты. Это привело к выделению в архитектуре ЕСЭ РФ такого элемента, как цифровая первичная сеть связи (ЦПСС). Внедрение цифровых методов коммутации, развитие устройств цифровой обработки информации и вычислительной техники определили разработку и масштабное внедрение новых цифровых услуг связи, что повлекло формирование цифровых вторичных сетей связи (ЦВСС).

В России для построения ЦПСС с плезиохронной цифровой иерархией (ПЦИ) принята европейская схема объединения основных цифровых каналов (ОЦК) 64 кбит/с в первичный цифровой канал Е1 на скорости 2,048 Мбит/с. Канал Е1 объединяет 32 ОЦК, из которых один используется для цикловой синхронизации, другой – для сигнализации, а 30 ОЦК – для переноса информации пользователей. Таким образом, цикл передачи потока Е1 состоит из 32 канальных интервалов по 8 бит каждый. Частота следования циклов 8 кГц (с периодом в 125 мкс), что дает скорость потока 32 ´ 8 ´ 8 = 2 048 кбит/с.

Циклы передачи Е1 объединены в сверхциклы. Количество циклов в сверхцикле ПЦИ определяется типом сигнализации, используемой в ВСС.

Здесь под сигнализацией [11] понимается информация, необходимая коммуникационным системам ВСС и средствам сетевого управления для выполнения их функций, например, управления установлением и разрушения соединений.

В ЦПСС для передачи нескольких цифровых потоков по одной линии связи применяется временное мультиплексирование (временное объединение/разделение каналов). Метод временного мультиплексирования применяется, например, для объединения нескольких первичных цифровых каналов Е1 в один вторичный цифровой канал E2. Несколько вторичных каналов аналогичным образом могут быть объединены в еще более высокоскоростной третичный канал (Е3) и т. д. В таблице 1.1 представлены характеристики сигналов ЦСП ПЦИ.

Таблица 1.1

Схемы мультиплексирования в Европейской ПЦИ

Уровень

ПЦИ

Название сигнала

Скорость,

кбит/с

Схема

мультиплексирования

Количество

ОЦК

1

E1

2048

30 ОЦК ® E1

30

2

E2

8448

E1 ® E2

120

3

E3

34368

E2 ® E3

480

4

E4

139246

E3 ® E4

1920

Скорости цифровых потоков ЦПСС одной и той же ступени ПЦИ, которые образованы ЦСП, расположенными на различных узлах сети и имеющими независимые источники синхронизации, могут несколько отличаться в пределах допустимой нестабильности тактовых генераторов. Кроме того, для согласования скоростей применяются механизмы стафинга, поэтому объединяемые потоки называют плезиохронными (почти синхронными).

Цифровизация ВСС в России осуществляется также достаточно активно. Все вновь вводимые телефонные станции являются цифровыми, а соединительные линии между ними представляют собой тракты ПЦИ (как правило, Е1). На фоне разнообразия абонентского оборудования это только расширяет номенклатуру типов каналов, требуемых пользователями и обслуживаемых коммутационным оборудованием. Основными типами каналов ВСС являются:

  • канал тональной (300–3 400 Гц) частоты с 2- и 4-проводным окончанием;
  • каналы низкоскоростной ПД (14,4–64 кбит/с);
  • основной цифровой канал (64 кбит/с);
  • комбинация ОЦК (n×64 кбит/с);
  • первичный цифровой канал Е1 (2 048 кбит/с);
  • вторичный цифровой канал Е2 (8 448 кбит/с);
  • четвертичный цифровой канал Е4 (139 246 кбит/с).

Канал Е3 в РФ не нашел своего широкого применения.

По пропускной способности используемых каналов в некоторых источниках осуществляется классификация ЦВСС [8]:

  • низкоскоростные (до 64 кбит/с);
  • узкополосные (до 2 048 кбит/с);
  • широкополосные (свыше 2 048 кбит/с).

Заметим, что уже первые цифровые АТС (ЦАТС) выпускались со станционными окончаниями, в которых предусматривались средства образования основного и/или первичного цифрового канала Е1. С абонентской стороны наряду с аналоговыми окончаниями современные ЦАТС могут включать средства организации цифровых каналов 64 кбит/с, n×64 кбит/с и 2 048 кбит/с. Таким образом, ЦАТС могут иметь несколько "встроенных" ЦСП.

Практика показывает ОЦК и Е1 формируется в ЦАТС и ЦСП однотипными унифицированными узлами, что позволяет говорить об интеграции ЦАТС и ЦСП, слиянии ЦВСС и ЦПСС.

Таким образом, переход преимущественно на цифровые технологии передачи и распределения информации обусловил значительные изменения в системно-техническом облике и архитектуре сетей связи во всем мире. Это, в свою очередь, привело к дальнейшему развитию теории и практики построения телекоммуникационных систем (сетей).



1.3. Архитектура сети электросвязи "транспортная сеть – сети доступа"

С каждым годом требования по пропускной способности и масштабируемости сетей электросвязи возрастают. С одной стороны, появляются новые услуги связи – более широкополосные, увеличивается число пользователей ЕСЭ РФ; с другой – все ярче проявляются ограниченность возможностей ПЦИ и потребность создания ЦСП исходя из новых инженерно-технических принципов.

Наличие в цикле передачи ПЦИ выравнивающих (стафинговых) бит делает невозможным прямое извлечение из потока составляющих его компонентов. Так, чтобы извлечь из потока Е4 поток Е1, необходимо демультиплексировать Е4 на четыре Е3, затем один из Е3 на четыре Е2 и только после этого можно вывести требуемый Е1. Для организации ввода-вывода потребуется три уровня мультиплексирования/демультиплексирования.

Следовательно, использование систем ПЦИ в сетях связи требует большого количества мультиплексоров, что значительно повышает стоимость и усложняет эксплуатацию сети.

Этот недостаток ПЦИ можно устранить, если сделать объединяемые цифровые потоки синхронными, т. е. использовать для сетевых устройств синхронизацию от одного высокоточного источника. Так, в условиях роста требований к ЦПСС по пропускной способности и для преодоления указанных недостатков ПЦИ возникли объективные предпосылки для разработки и внедрения новых синхронных ЦСП, более производительных, масштабируемых и гибких [12].

В качестве формата сигнала первого уровня в новой иерархии ЦСП – синхронной цифровой иерархии (СЦИ) – был принят синхронный транспортный модуль STM-1 со скоростью 155,52 Мбит/с. Мультиплексирование STM-1 с коэффициентом кратности 4 позволяет получить ряд (иерархию) скоростей СЦИ, представленный в таблице 1.2.

Мультиплексирование STM-1 в STM-N осуществляется как каскадно, так и непосредственно. Естественно, СЦИ не смогли бы получить широкого распространения, если бы не обеспечивали совместимость с ПЦИ. Из любого сигнала СЦИ может быть непосредственно выделен любой введенный на передаче сигнал ПЦИ вплоть до Е1.

Таблица 1.2

Схемы мультиплексирования в СЦИ

Уровень СЦИ

Название сигнала

Скорость,

Мбит/с

Схема

мультиплексирования

1

STM-1

155,52 

Е4 + Слж ® STM-1

Е3 + Слж ® STM-1

16 Е2 + Слж ® STM-1

64 Е1 + Слж ® STM-1

2

STM-4

622,08

STM-1® STM-4

3

STM-16

2488,32

STM-4 ® STM-16

16 STM-1 ® STM-16

4

STM-64

9953,28 

STM-16 ® STM-64

16 STM-4 ® STM-64

64 STM-1 ® STM-64

5

STM-256

39813,12

STM-64 ® STM-256

16 STM-16 ® STM-256

64 STM-4 ® STM-256

256 STM-1 ® STM-256

Разработка ЦСП СЦИ совпала с известными успехами в области волоконно-оптических технологий передачи и распределения информации [13]. В этой связи технология СЦИ изначально ориентировалась на использование волоконно-оптических направляющих систем с практически неограниченной пропускной способностью. Внедрение ЦСП СЦИ существенно расширило возможности сетей электросвязи.

В настоящее время в сетях связи основных операторов РФ магистральные ПСС полностью переведены на оборудование СЦИ. По мере распространения технологии СЦИ системы передачи ПЦИ вытесняются из внутризоновых ПСС. При сохраняющейся тенденции уже в ближайшем будущем ЦСП ПЦИ будут использоваться только в местных ПСС для доставки компонентных цифровых сигналов (Е1–Е4) к узлам внутризоновых и магистральной цифровых ПСС с СЦИ.

В технической литературе [3, 7, 8] цифровую сеть связи (ЦСС), в которой формируются, распределяются и потребляются сигналы, формируемые иерархическими ЦСП, называют интегрированной цифровой сетью связи (ИЦСС). Таким образом, ИЦСС – это сеть, реализующая перенос данных с коммутацией каналов (КК).

Появление услуг, ориентированных на режим переноса с коммутацией пакетов (КП), потребовало дальнейшего развития ЦСС. Это привело к созданию ЦСИС. Вновь разрабатываемые коммутационные системы теперь наряду с услугами телефонии стали способны предоставлять пользователям услуги ПД с коммутацией пакетов.

В настоящее время с ростом доли ПД в обслуживаемом трафике термин "цифровая автоматическая телефонная станция" (ЦАТС) перестал в полной мере отражать возможности современных узлов распределения информации. Поэтому все чаще в литературе для обозначения данного оборудования стал использоваться более общий термин "цифровая система коммутации" (ЦСК).

Цифровизация ПСС и ВСС привела к унификации компонентной базы и алгоритмов функционирования ЦСП и ЦСК. Внедряемые ЦСП СЦИ стали обеспечивать не только реализацию функций по передаче сигналов, но и стали способны осуществлять непрерывный контроль качества каналов (трактов), резервирование, оперативное переключение и другие функции, свойственные ранее только системам коммутации ВСС.

Сближение ЦСП и ЦСК по выполняемым функциям, принципам построения и функционирования, масштабное внедрение волоконно-оптических направляющих систем и другие факторы позволили по-новому взглянуть на архитектуру телекоммуникаций. Специалисты в разных странах стали говорить о наличии в рамках ЦПСС транспортной сети и сетей доступа (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Неиерархическое представление первичной сети связи

В отличие от представленной на рисунке 1.1 архитектура "транспортная сеть–сети доступа" является неиерархической. Транспортная сеть представляет собой остов ("становой хребет") сети, обеспечивающий перенос (транспортировку) высокоскоростных цифровых потоков между своими узлами.

Сети доступа являются "периферией" сети, организующей доставку менее скоростных (компонентных) цифровых потоков от пользователей к узлам транспортной сети и обратно.

На начальном этапе внедрения волоконно-оптических линий передачи (ВОЛП) понятие "транспортная сеть" являлось синонимом магистральной ПСС. Однако с внедрением волоконно-оптических технологий передачи и распределения информации во внутризоновые и местные ПСС к транспортной сети стали относить совокупность всех узлов сети электросвязи, связанных между собой синхронными ВОЛП.

На сегодняшний день под транспортной сетью (ТС) понимается часть сети связи, охватывающая узлы магистральной, внутризоновых и частично местных ПСС, а также линии связи их соединяющие [14–16]. Основное назначение ТС – обеспечить высококачественную и бесперебойную (надежную) передачу (транспортировку) информации в виде стандартных или нормализованных цифровых потоков между сетевыми узлами.

Общие принципы построения транспортных сетей стандартизованы сектором телекоммуникаций Международного союза электросвязи (МСЭ-Т) в серии рекомендаций G.803, G.805, G.872. В этих рекомендациях предложено рассматривать транспортные сети в виде многоуровневых моделей (рис. 1.4). В структурах моделей определены функциональные уровни ТС: физический, трактов и каналов.

Физический уровень ТС. Данный уровень образован средой передачи сигналов (волоконно-оптической, медной кабельной или радиолинией), регенерационными и мультиплексными секциями. Например, данный уровень оптической ТС подразумевает реализацию усиления, регенерации, мультиплексирования, а иногда коммутации и маршрутизации сигнала только оптическими средствами.

Уровень трактов ТС. Тракты ТС создаются, чтобы обеспечить сквозное прохождение информационных сигналов между исходящим и входящим сетевыми узлами (станциями).

Рис. 1.4. Используемые МСЭ-Т модели транспортных сетей

В ТС СЦИ тракты прописываются в заголовках циклически передаваемых сигнальных форматов, именуемых виртуальными контейнерами (). Тракты в сети АТМ отличаются от трактов сети СЦИ тем, что они образуются только при наличии информационного сообщения, а в его отсутствии физические ресурсы ТС отдаются для передачи других сигналов.

Тракты в оптической ТС (при условии применения мультиплексирования по длине волны) могут определяться номиналами несущих спектральных каналов. При этом возможен вариант, при котором по разным спектральным каналам передаются сигналы разного типа, в том числе аналоговые. Если применяются ЦСП СЦИ, тракты оптической ТС аналогичны трактам ТС СЦИ.

Уровень каналов ТС. Для любой из рассмотренных моделей транспортных сетей этот уровень выполняет функции интерфейса с сетями доступа.

Естественно, ТС, построенные в соответствии с различными моделями, совместимы между собой на уровнях каналов или трактов.

Сетевые узлы ТС, независимо от реализуемой модели, подразделяют на оконечные и транзитные узлы, вследствие чего на этих узлах применяются различные типы оборудования: мультиплексоры ввода/вывода, терминальные мультиплексоры, кросс-коннекторы и др. При этом каждый оконечный узел ТС, принимающий компонентные потоки и формирующий из них высокоскоростной транспортный (агрегатный) поток, носит название узел доступа к ТС.

В целом архитектура "транспортная сеть–сети доступа" является удобным инструментом описания и формирования цифровых телекоммуникационных сетей. Для иллюстрации этого рассмотрим варианты построения составной (ассоциированной) телекоммуникационной сети из нескольких сетей передачи данных (СПД).

Составная сеть [3, 8, 13] может быть сформирована благодаря включению между СПД специализированных устройств (ассоциирующих систем): конверторов, концентраторов, коммутаторов, мостов, маршрутизаторов, шлюзов. На рисунке 1.5 сеть передачи данных, состоящая из шести (1–6) сетей, соединена ассоциирующими системами (а, в, с, d, …, l).

 

Рис. 1.5. Формирование составной сети передачи данных на основе ассоциирующих систем

Тип ассоциирующей системы зависит от того, в какой степени отличаются стандарты соединяемых СПД [17, 18]. На рисунке 1.6 показаны принципы функционирования основных средств построения составных СПД. Для наглядности на рисунке отражены реализуемые ассоциирующими системами функции уровней эталонной модели взаимодействия открытых систем (ЭМВОС).

Рис. 1.6. Модели основных типов ассоциирующих систем: а – мост; б – маршрутизатор; в – шлюз

Мост служит для соединения однотипных СПД на уровне звена данных в логически единую сеть с общими сетевыми адресами.

Маршрутизатор используется для объединения на сетевом уровне разнородных СПД с различной системой адресов и параметрами пакетов. Маршрутизатор также применяется для определения маршрутов для передачи пакетов.

Шлюз – это устройство (программа) ассоциирования разнородных сетей на пятом, шестом или седьмом (иногда на четвертом) уровне ЭМВОС, обеспечивающее обмен данными между сетями, работающими на различных сетевых протоколах.

В условиях, рассмотренных на рисунке 1.5, при замене оборудования (протоколов) одной из СПД понадобится модернизация (перепрограммирование) большинства ассоциирующих систем.

Задача формирования составной сети значительно упрощается, если имеется ТС, в качестве которой может выступать сеть ПЦИ, или сеть СЦИ, или интегрированная цифровая сеть связи (СЦИ + ПЦИ), или сеть узкополосной ЦСИС, или сеть АТМ (рис. 1.7).

В случае, представленном на рисунке 1.7, каждая из объединяемых сетей имеет одни и те же характеристики в точках сопряжения с ТС, что упрощает организацию суммарной инфраструктуры. При замене оборудования (протоколов) одной из СПД понадобится модификация только одного ассоциирующего устройства. Именно по указанной причине телекоммуникации передовых стран строятся на основе развитых ТС. Это упрощает обеспечение доступа к услугам связи (расстояние от терминала до ТС редко превышает 4 км).

Рис. 1.7. Формирование составной сети передачи данных на основе транспортной сети

Отечественные телекоммуникационные системы имеют определенные особенности, затрудняющие организацию абонентского доступа. Так, транспортные сети РФ находятся в стадии своего формирования, отличаются развитостью в западной и южной частях страны и вырожденностью в восточной и северо-восточной. Передовые корпорации, ведущие научно-производственные объединения в отдельных крупных городах, высокими темпами внедряют прогрессивные телекоммуникационные технологии. В это же время в некоторых регионах на огромных пространствах в отдалении от центра страны наблюдается полное отсутствие какой-либо связи.

В отечественных телекоммуникационных системах присутствуют сегодня технические устройства многих поколений средств связи: от декадно-шаговых и координатных АТС, считающихся в мире морально устаревшими, до современных оптических волновых мультиплексоров и коммутаторов асинхронного режима передачи. Поэтому выбор архитектуры или технологии абонентского доступа необходимо осуществлять исходя из конкретных условий применения.

Таким образом, использование однотипных ЦСП и направляющих систем позволяет определить транспортную сеть как упорядоченную и в принципе однородную структуру. О другом компоненте рассматриваемой архитектуры – сетях доступа – данный вывод сделать нельзя. Неоднозначны и подходы к описанию этой части телекоммуникационной системы.



1.4. Основы построения сетей и систем абонентского доступа

В соответствии с [10, 15, 20] под сетью доступа принято понимать совокупность абонентских линий и станций местной сети первичной связи, обеспечивающих доступ абонентских терминалов к транспортной сети, а также местную связь без выхода на транспортную сеть.

Как указывалось ранее, ТС объединяет узлы и линии связи магистральной, внутризоновых и частично местных ПСС. Остальные элементы местных ПСС, не вошедшие в ТС и являющиеся, следовательно, частью сети доступа, в ряде источников [19–21 и др.] называются распределительными сетями (Distribution Network), на которые возлагается функция распределения высокой производительности ТС между менее скоростными цифровыми потоками к группам оконечных коммутационных станций или абонентских концентраторов. Такая типизация позволяет под сетью абонентского доступа по-прежнему понимать часть сети электросвязи между абонентским оборудованием и оконечной системой коммутации (СК).

Из рассмотренного можно сделать вывод, что сеть доступа есть совокупность распределительной и абонентской (терминальной) сетей. Сетям доступа отводятся функции доставки сигналов от пользователей до узлов транспортной сети. Простейший вариант построения сети доступа (СД) представлен на рисунке 1.8.

Рис. 1.8. Простейшая структура сети доступа

Сеть доступа может обеспечивать передачу аналоговой информации и/или цифровых сигналов к узлам доступа транспортной сети со скоростями от 64  до 2 048 кбит/с и выше.

Распределительную сеть образуют СК и соединительные линии между ними. От СК к абонентам прокладываются абонентские линии либо организуются радионаправления (развертываются проводные или радиоабонентские сети). Узел доступа выполняет функцию объединения компонентных потоков от абонентских устройств и концентраторов нагрузки. С этой целью может использоваться, например, мультиплексор (МР) ввода/вывода ТС СЦИ.

Особенностью систем абонентского доступа интегрированных (мультисервисных) сетей доступа является наличие устройств, называемых "сетевыми окончаниями" (СО). Функциями СО является обеспечение использования цифровой АЛ несколькими терминалами. Функции  сетевых  окончаний  могут  выполнять  учрежденческие АТС, концентраторы абонентской нагрузки, базовые станции сотовых сетей связи и другое оборудование. Именно сетевые окончания (рис. 1.9) очерчивают в такой СД границу между распределительной и терминальными сетями [7].

Таким образом, рассмотрев существующие подходы к построению СД, можно выделить следующие ее элементы:

 

Рис. 1.9. Структура интегрированной сети доступа

  • оконечные устройства ПСС (например мультиплексоры ввода/вывода узлов доступа ТС);
  • местные узлы (коммутаторы, концентраторы, станции местной связи, базовые станции сотовых сетей и пр.);
  • соединительные линии, организуемые между местными узлами и оконечными устройствами ПСС с использованием металлического, оптического кабеля, радиосредств (радиорелейных, спутниковых и др. средств радиодоступа);
  • абонентские линии, организуемые между местными узлами и оконечными устройствами абонентов с применения металлического, оптического кабеля или средств радиодоступа.

Приведенные на рисунках 1.8 и 1.9 схемы на практике могут быть реализованы в различных вариациях. Так, на узлах доступа может не предусматриваться размещение СК с абонентской нагрузкой.

Для каждой из двух составляющих сети доступа – абонентской и распределительной сетей – может быть использовано множество различных технологий. Если в распределительной сети применяются проводные, а в абонентских радиосредства, то в целом получается гибридная система абонентского доступа типа "кабель–радиоканал". Если в распределительной сети используются радио-, а в абонентских проводные средства, то формируется гибридная система абонентского доступа типа "радиоканал–кабель".

Отдельно следует заметить, что распределительная сеть является необязательным компонентом СД. Если СК имеет непосредственное подсоединение к ТС, то распределительная сеть в СД отсутствует.

Таким образом, система абонентского доступа есть совокупность технологий абонентского доступа и реализующих их станционных и линейных средств распределительной и абонентской сети. Короче это представляется так: "технологии абонентского доступа + сеть доступа, их реализующая = система абонентского доступа".

Из-за большого разнообразия технологий абонентского доступа на практике допускаются всевозможные конфигурации СД, которые зависят от множества факторов, основными из которых являются:

  • география размещения пользователей;
  • география размещения узлов доступа;
  • производительность узлов доступа и ТС в целом;
  • предоставляемые услуги;
  • условия окружающей среды (рельеф, наличие источников электропитания, узлов других СД и пр.);
  • требования и ограничения, определяемые вышестоящими системами и регулирующими органами.

Конфигурация сети абонентского доступа при отсутствии распределительной сети (когда СК имеет выход непосредственно в ТС) представляет собой совокупность простых цепей (рис. 10, а). Для наглядности на рисунке квадратами обозначены системы коммутации, точками – абонентские устройства. При наличии средств концентрации (мультиплексирования) абонентской нагрузки (рис. 10, б) типовой конфигурацией сети доступа является радиально-узловая.

Радиально-узловой называется сеть доступа, в которой между любыми двумя узлами имеется только один путь, т. е. сеть является односвязной. Довольно распространенными частными видами радиально-узловой конфигурации являются радиальная (рис. 10, в) и линейная (рис. 10, г).

Рис. 1.10. Основные типы топологических структур сетей доступа:

а – цепь; б – радиально-узловая; в – радиальная; г – линейная; д – петлевая; е – радиально-петлевая

Для повышения показателей надежности и живучести связи появилась необходимость повышения связности между узлами местных сетей, поэтому более совершенные технологии абонентского доступа позволяют организовать сеть доступа любой (в том числе петлевой (рис. 10, д), радиально-петлевой (рис. 10, е), полносвязной, нерегулярной и пр.) конфигурации.

При объединении нескольких СПД в единую инфраструктуру через ТС ассоциируемые сети становятся сетями доступа, сохраняя прежнюю топологическую структуру. Это обусловило появление в СД конфигураций, характерных ранее только для информационно-вычислительных сетей: "шина", "протяженная шина", "звезда" и пр.

От систем коммутации к терминалу прокладываются АЛ, состоящие из распределительного абонентского кабеля и абонентской проводки. Совокупность АЛ, проложенных к одному концентратору (оконечному местному узлу), образуют сеть абонентских линий (сеть абонентского доступа), или терминальную (абонентскую) сеть.

В развитых в экономическом плане странах типовая длина городской абонентской линии составляет 1,6–2 км. По этой причине средства сетей абонентского доступа (от пользовательских терминалов до концентратора) называют "последняя миля" телекоммуникационной сети. Называть всю СД термином "последняя миля" не следует, так как распределительная сеть не является элементом сети АЛ.

Резюмируя изложенное в разделе, можно сделать вывод о большой значимости и сложности вопросов построения систем абонентского доступа. Несмотря на активное развитие данной научно-технической области, многие прикладные задачи по-прежнему остаются нерешенными [2, 3, 6, 10 и др.].

Строгой классификации средств абонентского доступа не существует и, вероятно, не может существовать по причине большого разнообразия услуг связи и условий их предоставления конкретным пользователям. Тем не менее у каждой технологии можно выделить такие характеристики, как область применения, функциональное предназначение, тип используемого физического канала, конструктивное исполнение, реализованные методы модуляции, защиты от ошибок и сжатия информации. Акцентируя внимание именно на эти свойства, ниже приводятся основные сведения о современных методах и средствам систем и сетей абонентского доступа.

2. Организация абонентского доступа на основе телефонных модемов

Телефонные модемы, или модемы ближнего действия (Short Range Modem, SRM), предназначены для обеспечения ПД по коммутируемым или выделенным типовым аналоговым телефонным каналам с эффективно передаваемой полосой частот (ЭППЧ) 0,3–3,4 кГц путем преобразования цифровых сигналов в модулированный сигнал. Термин  "модем" образован от слов "модуляция" и "демодуляция", отражающих основные операции, реализуемые этими устройствами.



2.1. Общая характеристика современных телефонных модемов

В современных сетях доступа на модемы возлагаются задачи [1] обеспечения связи по конфигурации "точка–точка" между ПЭВМ абонента и сервером поставщика услуг ПД (провайдера) либо между двумя ПЭВМ (рис. 2.1) по каналам тональной частоты (КТЧ).

Типовой модем, как правило, включает цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) на передаче, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) на приеме и устройство переключения (коммутации) "телефон/модем".  Если  организована  передача  данных от ПЭВМ посредством модема, то  обеспечение  телефонных  переговоров по этой же 2-проводной АЛ невозможно, что является существенным недостатком модемной связи.

Основными характеристиками модемов являются скорость ПД, вид модуляции, возможность дуплексной связи, способ разделения направлений передачи и типы поддерживаемых сервисных функций.

Максимально достижимая скорость ПД ограничена ЭППЧ телефонного  канала  (300–3 400 Гц).  При  модуляционной  скорости 1 бит/с = 1 бод скорость ПД по КТЧ не может превысить 3 100 бит/с. Однако посредством повышения модуляционной скорости (в 6–9 раз) и применения передовых методов модуляции информационная скорость в направлении передачи может достигать 53–56 кбит/с [22, 23].

В современных телефонных модемах используются три основных вида модуляции: частотная (ЧМ), фазоразностная (ФРМ) и амплитудно-фазовая (АФМ).

При ЧМ (Frequency Shift Keying, FSK) значениям "0" и "1" информационного бита соответствуют свои частоты гармонического сигнала при неизменной его амплитуде. Область применения ЧМ – низкоскоростные (до 1 200 бит/с), но высоконадежные телефонные модемы, позволяющие осуществлять связь на каналах с большими помехами и в условиях значительных нелинейных искажений.

При ФРМ (Differential Phase Shift KeyingDPSK) каждому информационному элементу ставится в соответствие не абсолютное значение фазы, а ее изменение относительно предыдущего значения. Однако, как показывают исследования данного подхода, если в линейном коде одним битом кодируется более трех бит исходного сообщения (23 = 8 фазовых состояний), помехоустойчивость передачи дискретной информации резко снижается. Поэтому для обеспечения высоких скоростей ПД в модемах часто используются комбинированные амплитудно-фазовые методы модуляции.

Многопозиционную АФМ (Quadrature Amplitude Modulation, QAM) называют еще квадратурной амплитудной модуляцией (КАМ). Здесь вместе с изменениями фазы сигнала применяется манипуляция его амплитудой [22].

В высокоскоростных модемных протоколах может использоваться другой тип АФМ – треллис-модуляция (Trellis Coded Modulation, TCM), или модуляция с решетчатым кодированием (МРК). Этот вид модуляции позволяет повысить помехозащищенность передачи информации (снизить требования к отношению сигнал/шум в канале) по сравнению с КАМ на величину от 3 до 6 дБ.

Для обеспечения дуплексной ПД по 2-проводной АЛ в модемной связи предусматриваются следующие способы разделения направлений передачи [7, 22]: частотный (ЧРНП), временной (ВРНП) и с применением дифференциальных систем и адаптивной эхокомпенсации (ДРНП).

Самым распространенным в модемной технике до сих пор является ЧРНП. Если направлениям передачи выделяются равные частотные полосы, модемный протокол называется симметричным. Если модем поддерживает более скоростную ПД в одном направлении, чем в другом, а ЧРНП осуществляется на неравные по ширине спектральные подканалы, то модемный протокол называется асимметричным.

В средне- и высокоскоростных модемах широкое распространение сегодня получили разделение направлений передачи дифсистемами и линейное кодирование типа 2B1Q (2 Binari 1 Quaternari). Реализуется данный подход на 2-проводных АЛ аналогично соответствующему интерфейсу основного доступа УЦСИС [7].

Современные модемы не ограничиваются обеспечением ПД по КТЧ, и способны реализовывать ряд дополнительных функций, называемых сервисными. Важнейшими из них являются [22]:

  • передача факсимильных сообщений;
  • передача голосовой почты;
  • автоматические распознавание голос/факс/модем и переключение в соответствующий режим;
  • защита от несанкционированного доступа (НСД) к связи через модем: по паролю, с помощью обратного звонка и специфики процедур установления соединения;
  • автоматический определитель номера (АОН);
  • автоответчик (АО);
  • автоматическая самодиагностика;
  • ручное и автоматизированное тестирование модема (канала);
  • автоматическое восстановление соединения после разрыва с возобновлением прерванного процесса ПД;
  • автоматический переход на запасную коммутируемую линию при повреждении основной выделенной.

Здесь следует отметить, что передача факсимильных сообщений предусмотрена в модемах только в полудуплексном режиме за счет ВРНП. Скорость передачи в этом режиме не превышает 2 400 кбит/с.

В настоящее время к основным протоколам МСЭ-Т физического уровня модемной связи принято относить следующие [22, 23]:

V.21  дуплексный протокол с ЧРНП и ЧМ. В нижнем подканале "1" кодируется частотой 980 Гц, а "0" – 1 180 Гц. В верхнем подканале соответственно 1 650 Гц и 1 850 Гц. Модуляционная и информационная скорости равны (300 Бод и 300 бит/с). Прежде всего данный протокол находит применение в качестве "аварийного" при невозможности использовать другие протоколы модемной передачи вследствие низкого качества КТЧ. Такие модемы предназначены для приложений, требующих высокой надежности связи (передача сигналов управления факсимильной передачей, прием данных телеконтроля, связь с банкоматами или кассовыми аппаратами и т. п.).

V.22 – дуплексный протокол с ЧРНП и ФРМ. Несущая частота нижнего подканала 1 200 Гц, верхнего – 2 400 Гц. Модуляционная скорость составляет 600 Бод. Имеет режимы ФРМ и ДФРМ, что позволяет поддерживать  ПД со скоростью 600 или 1 200 бит/с.

V.22bis – дуплексный протокол с ЧРНП и КАМ. Несущие частоты и модуляционная скорость соответствуют стандарту V.22. Имеет режимы КАМ-4 и КАМ-16. Соответственно, информационная скорость может быть 1 200 или 2 400 бит/с, при этом режим 1 200 бит/с полностью совместим с V.22. Протокол V.22bis утвержден МСЭ-Т в качестве ведущего стандарта для всех среднескоростных модемов.

V.32 – дуплексный протокол с ДРНП, КАМ или МРК. Частота несущего сигнала составляет 1 800 Гц, модуляционная скорость равна 2 400 Бод. Таким образом, используется полоса пропускания КТЧ от 600 до 3 000 Гц. Модем V.32 поддерживает режимы КАМ-2, КАМ-4 и КАМ-16, что обеспечивает скорость ПД 2 400, 4 800 и 9 600 бит/с. На скорости 9 600 бит/с возможно применение 32-позиционной МРК.

V.32bis – дуплексный протокол с ДРНП и МРК. Несущие частоты и модуляционная скорость соответствуют стандарту V.32. Однако основными являются режимы МРК-16, МРК-32, МРК-64 и МРК-128. Соответственно информационная скорость может быть 7 200, 9 600, 12 000 и 14 400 бит/с. В режиме МРК-32 модемы протоколов V.32 и V.32bis полностью совместимы. Протокол V.32bis утвержден МСЭ-Т в качестве ведущего стандарта для всех скоростных модемов.

V.34 – протокол ПД с адаптируемой к характеристикам КТЧ скоростью передачи. Стандарт V.34 предусматривает 6 номиналов модуляционной скорости: 2 400, 2 743, 2 800, 3 000, 3 200 и 3 429 Бод. В качестве линейного сигнала используется четырехмерная сигнально-кодовая конструкция со сверточным кодированием на 16, 32 и 64 состояния. На КТЧ высокой протяженности в передатчике предусматривается амплитудно-фазовое предыскажение сигнала. Кроме того, предусматривается возможность выбора одного из одиннадцати заранее подготовленных "шаблонов" спектра передаваемого сигнала, позволяющих учесть особенности передаточных характеристик различных типов АЛ. В результате применения таких технических решений и был получен универсальный протокол адаптируемой ПД по КТЧ со скоростями в диапазоне от 2 400 до 33 600 бит/с.

Кроме того, в модемах стандарта V.34 предусмотрено предоставление пользователю различных сервисных услуг, таких как факсимильная связь, АОН, АО, дополнительный  низкоскоростной канал ПД (управления) до 200 бит/с, асимметрия скорости в разных направлениях передачи и др.

По мнению экспертов [22], V.34 – это последний протокол модемной связи по КТЧ, так как в нем обеспечена близкая к теоретическому пределу скорость ПД. Однако следует отметить, что скорость ПД в 33 600 бит/с реализуется в телефонных каналах высокого качества, характерных для Западной Европы и США, где проектировались модемы этой серии. В нашей стране из-за более сложной помеховой обстановки в сети телефонной связи общего пользования скорость работы таких модемов обычно не превышает 14 400–28 800 бит/с.

Дальнейшее повышение скорости ПД специалисты [23] связывают с внедрением цифровых методов ПД. Переходным в этом смысле является стандарт модемной связи V.90.

V.90 – асинхронный дуплексный протокол ПД с возможностью использования ИКМ. Условиями реализации этого протокола является наличие цифровых АТС и соединительных линий между ними, а также оснащение узла доступа провайдера специальным оборудованием – серверами модемного доступа V.90.

В соответствии со стандартом V.90 поток данных, поступающих от провайдера к пользователю, не проходит фазу цифроаналогового преобразования. Отсутствие шумов и искажений, порождаемых ЦАП/АЦП, способствует повышению отношения сигнал/шум в организуемом тракте, что само по себе уже создает условия для увеличения скорости ПД. Предусмотренное протоколом применение ИКМ обеспечивает в направлении к пользователю информационную скорость 56 кбит/с. Поток данных в направлении от пользователя передается, как правило, в аналоговом виде, то есть сигнал проходит ЦАП/АЦП. Сохранение в модемах серии V.90 аналогового окончания связано с необходимостью их встречной работы с типовыми телефонными модемами, например серии V.34. Следовательно, в направлении передачи от пользователя скорость ПД не превышает 33 кбит/с. Естественно, применение модемов протокола V.90 выдвигает жесткие требования к качеству АЛ, где реализуется ЧРНП или ДРНП. На участке "ЦАТС пользователя – сервер доступа" используются типовые ОЦК, характеристики которых поддерживаются соответствующими ЦСП. При данном подходе скорость ПД теоретически может составлять 64 кбит/с, однако стандартом V.90 предусмотрено ее ограничение до 56 кбит/с.

Существует целый ряд причин такого положения, основная из которых связана с особенностью эволюции ИКМ-кодеков [22].

Исследования 8-разрядных ИКМ-преобразователей аналогового сигнала с 256 = 28 уровнями квантования (8 × 8 = 64 кбит/с) показали, что в последнем (младшем) бите доля шумов квантования и продуктов нелинейного преобразования (A- или m-типа) наибольшая. Исключение каждого последнего (младшего) бита из октетов ИКМ и, следовательно, снижение скорости ПД до 7 × 8 = 56 кбит/с, несколько ухудшало естественность восприятия речи, но значительно улучшала помехозащищенность телефонных переговоров.

Современные ИКМ-кодеки имеют частоту дискретизации выше 8 (до 20), однако для возможности их применения в системах с преобразователями старого парка сохранена октетная структура цикла передачи, при этом младший бит в восстановлении речевого сообщения не используется. В этой связи ПД по каналам с ограниченной полосой пропускания осуществляется со скоростью 56 кбит/с .

В протоколе V.90 цифровой модуляции подвергается последовательность с выхода ПЭВМ, а не речевая информация, однако стандартом установлен предел скорости ПД в 56 кбит/с, так как при этом учитывается необходимость "экономии" полосы пропускания АЛ для реализации различных методов разделения направлений передачи.

В отечественной СТфОП на коммутируемых каналах и эта скорость практически не может быть достигнута. Это связано с тем, что при работе на скорости 56 кбит/с пиковая мощность сигнала превышает национальные стандарты для телефонных каналов, образованных многоканальной каналообразующей аппаратурой. Для снижения пиковой мощности сигнала до допустимых пределов скорость ПД снижена до 53 кбит/с. Из изложенного следует, что модем протокола V.90 при работе с сервером (модемом) этого же стандарта в направлении к пользователю по коммутируемому каналу обеспечивает ПД со скоростью 53 кбит/с, а по выделенному каналу – до 56 кбит/с. В обратном направлении или при организации дуплексной связи с любым другим телефонным модемом скорость обмена информацией не может превышать 33 кбит/с.

Для современных модемов к настоящему времени разработаны и внедрены протоколы канального уровня[22], реализующие различные алгоритмы защиты от ошибок. Как правило, эти алгоритмы базируются на помехоустойчивом кодировании и реализуют принципы решающей обратной связи (РОС), например методом автоматического повтора запроса (Automatic Repeat request, ARQ). Циклические коды, применяемые при этом, обладают высокой надежностью обнаружения/исправления ошибок даже в случае внесения невысокой избыточности в передаваемые данные. Указанные аспекты и составили основу самого распространенного на сегодняшний день протокола коррекции ошибок модемной связи V.42 МСЭ-Т.

Таким образом, типовые телефонные модемы являются устройствами, реализующими протоколы ПД физического и канального уровней. В самых современных модемах реализуются интеллектуальные функции, для чего эти устройства снабжаются собственной системой управления, использующей микропроцессоры. Программные средства модемов также разнообразны и сложны.

Развитие модемной техники обусловило появление нового семейства средств абонентского доступа, получивших название "интеллектуальные модемы" [22]. Наряду с расширением перечня услуг, предоставляемых пользователям, данные устройства способны диагностировать линию, самотестироваться, определять оптимальный режим передачи заданного объема информации и др.



2.2. Принципы построения типового телефонного модема

Современный модем является сложным многофункциональным средством ПД, конструктивно представляющим собой либо типовую плату внутри ПЭВМ, либо автономное устройство, подключаемое к COM-порту компьютера. Соответственно модемы классифицируются на внутренние и внешние.

Функциональная блок-схема типового внешнего модема стандарта V.34 представлена на рисунке 2.2 [23]. Основными узлами модема являются:

  • блок сопряжения с АЛ;
  • дифференциальная система;
  • блок аналогового окончания;
  • блок сопряжения с ПЭВМ;
  • блок пользовательского интерфейса;
  • блок сервиса и устройства питания.

Блок сопряжения с АЛ (Direct Access Arrangement, DAA) предназначен для обеспечения физического интерфейса с КТЧ (в отечественных источниках – стыка "С1-ТЧ"), а также реализации функции удержания (фиксации) телефонного соединения. Для физического подключения модема к КТЧ (коммутации телефон/модем) применяется входное устройство блока.

Линейный трансформатор обеспечивает симметричность аналогового входа модема и согласование сопротивлений блока и КТЧ. Устройство защиты (УЗ), как правило, составляют схема защиты от перенапряжений и фильтр радиопомех. Устройство формирования сигналов (УФС) используется при работе модема по коммутируемым КТЧ. Здесь формируются сигналы импульсного набора номера, "отбой" (постоянным током менее 0,5 мА) и "удержание линии" (постоянным током более 8 мА). Дифференциальная система (HYBRID) обеспечивает переход от 2-проводной АЛ к 4-проводной схеме аналогового окончания.

Блок аналогового окончания (Analog Front End, AFE) предназначен не только для цифроаналогового и аналого-цифрового преобразования данных, но и линейного их кодирования/декодирования.

Рис. 2.2. Функциональная блок-схема типового внешнего модема

В современных модемах важной функцией этого блока является адаптация процесса ПД к характеристикам используемого КТЧ (выбор параметров модуляции, типов корректоров и фильтров предыскажений, режимов эхокомпенсации). В связи с этим основным узлом блока является устройство ЦОС, включающее цифровой сигнальный процессор (Digital Signal Processor, DSP) и устройства памяти. DSP в ходе обработки сигналов взаимодействует с активным эхокомпенсатором (ЭХК), системой АРУ линейного усилителя (ЛУС) приема, ЦАП и АЦП. Выходной сигнал модема формируется ЦАП.

Сглаживающий фильтр (СФ), как правило, выполняется на базе интегральной технологии "переключающихся конденсаторов". Он способствует практически полному ослаблению сигналов на частотах выше 4,6 кГц. В модемах стандарта V.34 в СФ включены схемы предыскажений.

Входной сигнал поступает на полосовой фильтр (ПФ), ограничивающий полосу пропускания КТЧ. В современных модемах ПФ представляет собой набор "шаблонов" спектральных характеристик АЛ. Далее сигнал усиливается программно управляемой схемой АРУ и декодируется в АЦП.

Блок сопряжения с ПЭВМ, или контроллер модема (Modem Controller, MC), обеспечивает физический интерфейс с ПЭВМ, управление DSP, выбор протоколов коррекции ошибок и сжатия информации, реализует взаимодействие с пользовательским блоком.

Управляющее устройство (УУ) работает по записываемой программе, поставляемой вместе с модемом. Для обеспечения ПД в ПЭВМ также должна быть инсталлирована специальная служебная программа (драйвер), организующая взаимодействие ПО компьютера и ПО модема.

Носителями программ в УУ модема являются устройства памяти (ППЗУ и ОЗУ), подобные тем, что используются в ПЭВМ.

УУ посредством УФС организует обмен СУВ с АТС и модемом корреспондента при установлении и разрушении соединения. При этом СУВ передаются соответственно до и после передачи данных от ПЭВМ. Алгоритмы управления установлением (разрушением) соединения аналогичны тем, что используются при организации телефонной связи с АТА [6].

Алгоритмы сжатия информации и защиты от ошибок реализуются устройством защиты от ошибок (УЗО). Выходное устройство обеспечивает физическое подключение модема к ПЭВМ по 9- или 25-проводной схеме. Здесь следует отметить, что внешние модемы взаимодействуют с компьютером по цепям интерфейса RS-232С/V.24. 25-проводная схема подключения поддерживает работу модема как в асинхронном, так и синхронном режимах обмена данными с ПЭВМ.

Подключенные по 9-проводной схеме внешние и все внутренние модемы могут работать только в асинхронном режиме. Для этого в их состав входит дополнительная микросхема памяти.

Блок пользовательского интерфейса (User Interface) включает звуковую карту, платы управления и отображения. Встроенный в модем динамик озвучивает процессы, происходящие в телефонном канале. Визуализацию этих процессов обеспечивает панель отображения, включающая светодиоды или двухстрочные жидкокристаллические индикаторы.

Панель управления (Сontrol key) представляет собой набор джамперов и переключателей начальных установок модемов.

В изделиях с LCD кнопочная панель (key) сосредоточивает все функции по управлению режимами работы модема.

Блок сервиса включает различные устройства (факс, автоответчик, АОН и т. п.), расширяющие возможности модема в соответствии с реализуемыми ими сервисными функциями.

Устройствами питания являются преобразователи, распределители и стабилизаторы питающих напряжений. Встроенные модемы получают питание ± 5 В (реже ± 12 В) от компьютера. Внешние модемы используют питание от источников переменного тока 220 В.

Таким образом, конструкция модемов обеспечивает передачу данных между ПЭВМ по телефонным линиям. При этом телефонные модемы могут использоваться только для связи в конфигурации "точка-точка".

В настоящее время модемы являются удобным и недорогим средством доступа к удаленным службам ПД. Однако невозможность использования занятого модемом телефонного канала для организации телефонного разговора вынуждает пользователей искать более совершенные технологии абонентского доступа, в том числе оборудование цифровых абонентских линий.



3. Организация абонентского доступа на основе цифровых абонентских линий

Одним из путей решения проблем доступа отдельного абонента к сетям связи различного назначения в последние годы стала технология цифровых абонентских линий (Digital Subscriber Line, DSL). Термин цифровая абонентская линия (ЦАЛ) впервые появился в спецификациях цифровой сети с интеграцией служб [7]. В начале 80-х годов прошлого века этим термином обозначалась АЛ для дуплексной цифровой передачи данных со скоростью 160 кбит/с между сетевым окончанием и АТС при реализации основного абонентского доступа в узкополосной ЦСИС.

В настоящее время термином DSL обозначается технология (набор протоколов физического уровня ЭМВОС) высокоскоростной ПД по физическим линиям (медным парам, многопарным кабелям связи и т. п.). Сущность современной технологии DSL уже вышла за рамки русскоязычного термина ЦАЛ. Линия, определяемая как DSL, может являться не только абонентской, но и соединительной линией между различными источниками и потребителями цифрового трафика [8]. Оборудованием, на основе которого строится DSL, могут быть устройства ЦСИС (NT и LT), модемы для физических линий, линейные цифровые адаптеры (например CSU/DSU) и др.



3.1. Общая характеристика и классификация технологий цифровых абонентских линий

Главная задача, поставленная разработчиками при создании технологии DSL, заключалась в максимальном расширении полосы пропускания медных телефонных пар, имеющихся в большом количестве в абонентских окончаниях СТфОП [6]. В отличие от модемов, предоставляющих абоненту только полосу частот КТЧ (0,3–3,4 кГц), технологии DSL обеспечивают использование всей полосы пропускания АЛ (как правило, до 420–500 кГц), а уже в узле доступа нагрузка распределяется коммутационными системами СТфОП и СПД и далее передается по соответствующим типовыми каналам и трактам.

Общая структура организации доступа на основе ЦАЛ представлена на рисунке 3.1 [22].

Рис. 3.1. Общая структура организации доступа на основе технологии ЦАЛ

В сети доступа DSL предусмотрены следующие узлы: устройство объединения речевых сигналов и потоков данных в абонентской установке пользователя – DSL модемы; устройства частотного разделения сигналов – DSL разделители (POTS Splitter); устройства концентрации нагрузки и взаимодействия с СПД – DSL мультиплексоры доступа (DSL Access Module, DSLAM).

Все перечисленные узлы могут быть реализованы в виде автономных технических средств или встраиваемых плат. DSL модем (с встроенным разделителем или без) часто называют абонентским полукомплектом ЦАЛ. Соответствующие ему приемопередатчик и порт мультиплексора доступа DSL при этом играют роль станционного полукомплекта ЦАЛ.

Абонентский и станционный полукомплекты, а также физическая цепь между ними образуют систему передачи цифровой абонентской линии [2, 6, 22].

Основная задача ЦАЛ – обеспечение эффективного использования полосы пропускания АЛ в ходе предоставления услуг, запрашиваемых абонентом. Она решается за счет применения специальных методов кодирования (модуляции) сигналов речи и данных. В устройствах современных ЦАЛ распространение получили либо схемы модуляции, в которых передача сигнала осуществляется в полосе модулирующих частот (например кодом 2B1Q), либо схемы, предусматривающие перенос сигнала в более высокий диапазон.

В последнем случае реализуется один из двух подходов:

  • перенос сигнала одной поднесущей (в общем случае ее синфазной и квадратурной составляющими) – последовательная передача (например КАМ);
  • перенос сигнала несколькими поднесущимипараллельная передача на основе дискретной многочастотной модуляции (Discrete Multitone Modulation, DMT).

Здесь следует заметить, что при наличии у абонента АТА на DSL модем может возлагаться задача аналого-цифрового преобразования речевого сигнала. В ряде реализаций DSL сигнал от АТА передается в аналоговом виде в полосе 0,3–3,4 кГц до АТС, а для передачи данных выделяется надтональная область (выше 4 кГц) полосы пропускания АЛ. В таких системах частотный разделитель включается в состав обоих полукомплектов ЦАЛ.

Основная задача DSLAM разделить принятый трафик на речевые и неречевые сигналы и передать их на соответствующие коммута-ционные системы.

Как правило, мультиплексор DSL концентрирует нагрузку от всех ЦАЛ, подключенных к данному узлу доступа, а станционные полукомплекты содержат ЦАП. В этом случае и при полностью аналоговом телефонном тракте речевые сигналы с выхода DSLAM коммутируются на аналоговые входы АТС.

Пользовательские данные мультиплексором доступа DSL направляются в соответствующую СПД. Практически все современные DSLAM оснащаются средствами коммутации протоколов Ethernet 10Base-T, что позволяет использовать на узлах доступа типовые цифровые концентраторы, коммутаторы и маршрутизаторы [6]. Современной тенденцией является оснащение мультиплексоров доступа DSL интерфейсами АТМ, что позволяет напрямую подключать их к современным мультисервисным телекоммуникационным сетям. Все это определяет высокую сложность и значительную стоимость DSLAM.

Таким образом, эффективное использование полосы пропускания АЛ достигается путем организации некоммутируемых трактов передачи речевых и/или неречевых данных на основе применения современных методов модуляции и линейного кодирования. Маршрутизация телефонных сообщений и данных осуществляется коммутационными системами соответствующих специализированных сетей (ССОП и СПД).

В рамках технологии DSL была разработана целая совокупность частных технологий ПД по физическим линиям. Для их дефиниции принято обозначение xDSL, где вместо индекса "x" подставляются различные латинские буквы, кратко характеризующие отличия данной технологии ЦАЛ от всех остальных. Основными классифика-ционными признаками технологий xDSL являются [22]:

  • скорость передачи информации;
  • допустимая дальность связи;
  • симметричность трафика.

Последняя характеристика, как и в модемной связи, отражает соотношение скоростей цифровых потоков в направлениях передачи к сети и пользователю.

К настоящему времени к ЦАЛ относят рассмотренные ниже системы передачи дискретной информации по физическим линиям.

1. HDSL (High Bit-Rate DSL) высокоскоростная ЦАЛ (ВЦАЛ). Это первая реализация xDSL, получившая широкое применение в ССОП. Технология HDSL предусматривает организацию симметричной линии цифровой ПД и речи по трем, двум или одной витым парам медных проводов.

В отличие от линий ИКМ, где пары проводов закрепляются за направлениями передачи и приема, ВЦАЛ осуществляют двухстороннюю передачу сигналов по каждой паре проводов, но с меньшей скоростью. Так, в шестипроводной ВЦАЛ по каждой паре данные передаются со скоростью 784 кбит/с. Такое решение обеспечивает передачу данных со скоростью 2,048 Мбит/с по трем парам проводов без регенерации на расстояние до 4,5 км, по двум парам проводов на расстояние 3,5 км. Для сравнения: 4-проводная ИКМ-30 имеет участок безрегенерационной передачи не более 2 км.

4-проводные ВЦАЛ широко внедряются в современные сети связи для организации первичного доступа к ЦСИС, а также в качестве соединительных линий различного назначения, например между УАТС и АТС (рис. 3.2, а), пользователями и сервером Internet, локальными сетями центрального офиса и филиала (рис. 3.2, б) и т. п.

В типовых образцах ВЦАЛ используются либо линейное 1B2Q кодирование цифрового потока, либо двухуровневая амплитудно-импульсная модуляция (АИМ) с подавлением несущей (Carrierless Amplitude/Phase Modulation, CAP). В более поздних версиях ВЦАЛ применяются многоуровневая АИМ (Pulse Amplitude Modulated, PAM) и дискретная многочастотная модуляция (ДММ), обеспечивающие большую помехозащищенность ПД.

Системы с ДММ являются ВЦАЛ второго поколения (ВЦАЛ-2, HDSL II), позволяющими передавать цифровые сигналы по одной паре проводов со скоростью 2,048 Мбит/с без регенерации на расстояние порядка 3 км. Новые образцы оборудования ВЦАЛ-2 обеспечивают безрегенерационную ПД (2,048 Мбит/с) на дальность от 5 км (для провода сечением 0,5 мм) до 18 км (1,2 мм).

Таким образом, технология HDSL является перспективной быстро развивающейся технологией абонентского доступа, составляющей альтернативу линиям связи с ПЦИ (ИКМ).

Рис. 3.2. Варианты использования технологии HDSL:

а – организация доступа аналоговой УАТС к ЦАТС;

б – организация доступа удаленной ЛВС к серверу 

2. SDSL (Single Line DSL) однолинейная ЦАЛ (ОЦАЛ). Технология однолинейная ЦАЛ обеспечивает симметричную ПД со скоростью до 2,048 Мбит/с по одной паре медных проводов на расстояние до 2 км. Данная технология зародилась раньше ВЦАЛ и в определенном смысле является предшественницей технологии HDSL II.

Системы ОЦАЛ применяются в настоящее время для организации нескольких телефонных трактов (до 8) по одной 2-проводной АЛ. Основным недостатком ОЦАЛ считается ограниченная дальность связи и невозможность использования на ней регенераторов.

3. SHDSL (Symmetric High Bit-Rate DSL) симметричная высокоскоростная ЦАЛ (СВС ЦАЛ). Это один из самых последних стандартов ПД, являющийся развитием ВЦАЛ.

Система СВС ЦАЛ способна поддерживать скорость цифрового потока до 2,3 Мбит/с по витой паре и до 4,6 Мбит/с по 4-проводной линии. Возможность применения регенераторов позволяет организовать СВС ЦАЛ протяженностью до 18,5 км при длине регенерационной секции в 3 км. Технология симметричной высокоскоростной ЦАЛ и используемый в ней способ кодирования – многоуровневая АИМ с применением корректирующего решетчатого кода (Trellis Coded Pulse Amplitude Modulation, TC-PAM) – выбраны МСЭ в качестве основных стандартов для высокоскоростной ПД по медной паре.

4. IDSL (ISDN DSL) цифровая абонентская линия ЦСИС.

Технология IDSL обеспечивает полностью дуплексную симметричную ПД на скорости в 144 кбит/с (общая скорость цифрового потока 160 кбит/с).

Скорость передачи в АЛ составляет 80 кбит/с, так как используется линейный код 1B2Q. В отличие от абонентской линии основного доступа ЦСИС линия IDSL является некоммутируемой. Кроме того, линия IDSL не поддерживает протоколов активизации и является постоянно (always on) включенной (как и любая линия, организованная с применением технологии xDSL), в то время как в BRI ЦСИС требуется установление соединения.

IDSL может использоваться для организации основного доступа в ЦСИС по витой паре длиной до 3 км. Однако при этом абоненты теряют возможность иметь полный набор услуг ЦСИС, в том числе ряд ДВО.

5. ADSL (Asymmetric DSL) асимметричная ЦАЛ (АЦАЛ). Уже из названия следует, что технология является асимметричной, то есть скорость ПД от сети к пользователю значительно выше, чем в обратном направлении.

Данная технология рассчитана на абонентов, работающих в режиме "запрос" – "получение данных", например для организации доступа в сеть Internet (рис. 3.2, б), к ЛВС, базам данных (БД) и т. п. В этой технологии используются преимущества некоммутируемой передачи данных: АЦАЛ постоянно подключена и исключает необходимость установления соединения. Следовательно, ее применение минимизирует затраты времени на организацию процесса получения данных, что особенно важно при запросе платных услуг в СПД (например Internet).

Особенностью АЦАЛ является аналоговая передача речевых сигналов и ПД в надтональной области полосы пропускания АЛ. В связи с этим абонентский и станционный полукомплекты содержат частотные разделители (согласованные пары ФНЧ-ФВЧ с частотой среза 4 кГц). Достоинством такой организации ЦАЛ является сохранение телефонного тракта даже в случае отказа устройств ПД, так как питание АТА в этом случае может осуществляться от АТС.

Современные системы АЦАЛ способны поддерживать скорость ПД от пользователя к сети от 128 кбит/с до 1,5 Мбит/с, а в обратном направлении от 384 кбит/с до 7,1 Мбит/с (рис. 3.3). Это делает возможным предоставление пользователям различных мультимедийных услуг ("Видео по требованию" и др.). Длина АЦАЛ (медной пары с сечением провода не менее 0,5 мм) может достигать 5,5 км.

Для поддержания таких высоких показателей качества функционирования разработчиками технологии были предъявлены очень жесткие требования к параметрам технических средств ЦАЛ. Кроме того, для обеспечения столь высокой скорости ПД в АЦАЛ впервые применена ДММ c 256 несущими (DMT-256). Все это обусловило сложность, и, следовательно, значительную стоимость оборудования АЦАЛ, что ограничило распространение этой технологии среди индивидуальных пользователей ССОП.

6. UADSL (Universal ADSL) универсальная асинхронная ЦАЛ (УА ЦАЛ). Данная технология есть упрощенная модификация технологии АЦАЛ.

Рис. 3.3. Общая схема организации АЦАЛ

В английских источниках можно встретить такие обозначения данной технологии, как ADSL Lite (практичная, облегченная АЦАЛ), или Glite. Целью создания УА ЦАЛ является необходимость снизить затраты на организацию асинхронного доступа к СПД.

Для достижения поставленной цели в оборудовании УА ЦАЛ исключены дорогостоящие частотные разделители, а модуляция DMT-256 заменена на DMT-96 (т. е. снижено число несущих частот до 96). В результате УА ЦАЛ поддерживает скорость ПД от пользователя к сети до 384 кбит/с, а в обратном направлении до 1,5 Мбит/с при длине витой пары в 3,5 км. Увеличение дальности связи до 5,5 км потребует снижения скорости соответственно до 198 и 640 кбит/с.

Преимуществами данной модификации ЦАЛ являются простота ее инсталляции и невысокая стоимость. К недостаткам УА ЦАЛ можно отнести невозможность телефонных переговоров при выходе из строя устройств ПД или пропадании местного питания абонентского полукомплекта.

7. R-ADSL (Rate-Adaptive DSL) адаптивная по скорости ЦАЛ (АС ЦАЛ). Технология R-ADSL обеспечивает такую же скорость ПД, что и технология ADSL, но при этом оборудование ЦАЛ реализует автоматическую адаптацию скорости передачи к состоянию физической цепи. Основной задачей при этом становится оперативный обмен служебными сигналами между полукомплектами ЦАЛ для своевременного включения алгоритмов адаптации.

Повышение "интеллекта" оборудования (использование дорогих микропроцессоров) вылилось в дополнительное повышение стоимости систем АС ЦАЛ.

8. VDSL (Very High Bit-Rate DSL) сверхвысокоскоростная ЦАЛ (СВ ЦАЛ). Технология VDSL является наиболее производительной в семействе асинхронных технологий xDSL: оборудование СВ ЦАЛ обеспечивает скорость передачи данных от пользователя к сети от 1,5 до 2,3 Мбит/с, а в обратном направлении до 52 Мбит/с по одной витой паре. СВ ЦАЛ предназначена для пользователей с повышенными требованиями к пропускной способности и является дальнейшим развитием АЦАЛ. Максимальная дальность связи для этой технологии составляет от 300 до 1 300 метров. Это расстояние можно увеличить, если до помещения пользователя проложен оптический кабель (ОК), а медные пары служат только абонентской проводкой. Очевидно, что использование ОК является относительно дорогим вариантом доступа и больше характерно для абонентских систем крупных учреждений, ориентированных на применение АТМ технологий.

В связи с этим оборудование VDSL поддерживает режим "АТМ поверх DSL" с постоянной (CBR), переменной (VBR) или неопределенной (UBR) скоростью передачи (рис. 3.4).

В системах VDSL модем играет роль интегрального устройства доступа (Integrated Access Device, IAD), преобразуя абонентскую нагрузку в поток пакетов Frame Relay или ячеек АТМ, который в сервере доступа DSL (DSL Access Server, DSLAS) распределяется по предназначению. В отличие от DSLAM, DSLAS обеспечивает коммутацию и трафика и сигнализации АТМ. Такое техническое решение позволяет, в отличие от рассмотренных выше систем xDSL, использовать СВ ЦАЛ либо для организации одновременно до 16 типовых телефонных трактов, либо для организации широкополосного доступа к СПД, либо для передачи сигналов телевидения высокой четкости.

Рис. 3.4. Использование технологии СВ ЦАЛ в сетях доступа с АТМ

Технологии xDSL продолжают свое совершенствование с учетом современных тенденций в эволюции телекоммуникационных систем.

Одним из новых направлений развития xDSL является технология передачи данных по физическим цепям линий электропередачи (ЛЭП), получившей название "электромодемы" и обозначение "PDSL".

Пример применения систем PDSL представлен на рисунке 3.5. Абонентский полукомплект такого оборудования носит название сетевого (NTU), а станционный полукомплект – линейного (LTU) окончания (по аналогии с узкополосной ЦСИС). На устройства сетевого и линейного окончания системы абонентского доступа PDSL кроме типовых функций передачи информационного потока возлагаются задачи защиты ЦАЛ от высоких напряжений, имеющихся на клеммах щитов электропитания (ЩЭП). Упрощенная модификацияPDSL обеспечивает передачу данных по сетям электропитания 220–360 В. С помощью таких средств организуются корпоративные ЛВС, технологические СПД (например, по контактной сети железной дороги) и пр.

 

Рис. 3.5.  Вариант использования технологии PDSL

Имеющееся разнообразие систем xDSL привело к необходимости создания на узлах доступа универсальных xDSL-платформ, включающих станционные полукомплекты (линейные окончания) нескольких технологий ЦАЛ одновременно, например SDSL, HDSL, IDSL, ADSL или др. Такая архитектура системы абонентского доступа способствует обеспечению максимального расширения номенклатуры услуг, предоставляемых пользователям телекоммуникационных сетей.



3.2. Особенности построения типового оборудования цифровых абонентских линий

Несмотря на имеющееся разнообразие технологий xDSL принципиально различными с технической точки зрения, являются два основных типа ЦАЛ. Во-первых, ЦАЛ с передачей речевой информации в цифровом виде в общем потоке данных (SDSL, HDSL, HDSL II, SHDSL и IDSL). Во-вторых, ЦАЛ с типовым аналоговым телефонным трактом и передачей данных в надтональной области спектра (ADSL и ее различные модификации).

В абонентских установках систем первой группы должны использоваться либо ЦТА, либо АТА с адаптерами. В противном случае абонентские комплекты ЦАЛ должны включать АЦП/ЦАП [22].

АЦП реализует типовые ИКМ или АДИКМ. При использовании ИКМ речь преобразуется в поток 64/56 кбит/с. Кодер АДИКМ обеспечивает передачу речевых данных со скоростью 32 или 16 кбит/с. При необходимости аналоговый сигнал в ходе его преобразования в цифровой может быть сжат для ИКМ до 28,8 кбит/с, а для АДИКМ – до 14,4 и 4,8 кбит/с соответственно. Такое сжатие, естественно, приводит к некоторому снижению качества передачи речи.

Структурная схема системы передачи ОЦАЛ представлена на рисунке 3.6 [24]. Из схемы видно, что в модеме оцифрованные речевые сообщения объединяются методом ВРК в мультиплексоре (МР) с данными, а также с каналом сигнализации и синхронизации (типовым С-каналом). Кодер (К) осуществляет линейное кодирование потока данных (в данном случае кодом 2В1Q).

Электронное управляющее устройство (УУ) функционирует по записанной программе. Синхронизация узлов модема DSL реализуется выделителем тактовой частоты (ВТЧ) по принимаемому от DSLAM цифровому потоку. Импульсный вход/выход устройств ОЦАЛ используются для ввода/вывода пользовательских данных (с ПЭВМ, ООД и т. п.). Соответствующие интерфейсы обеспечиваются входным (Вх.У) и выходным (Вых.У) устройствами. В направлении приема осуществляются обратные преобразования сигнала, для чего в схеме предусмотрены декодер (ДК) и демультиплексор (ДМ). Если используется 2-проводная АЛ, в схеме организовано ДРНП с применением активных эхокомпенсаторов (ЭХК).

Рис. 3.6. Структурная схема системы передачи ОЦАЛ

Станционный полукомплект ОЦАЛ кроме перечисленных выше функций осуществляет разделение трафика на речевые и неречевые сообщения. При этом телефонные сообщения на АТС могут передаваться как в цифровом, так и в аналоговом виде. В последнем случае в станционном комплекте предусматриваются ЦАП. Кроме того, управляющее устройство DSLAM осуществляет обмен СУВ с соответствующими коммутационными системами (интерфейс "Упр. СК").

Здесь следует отметить, что в большинстве систем ЦАЛ обеспечивается адаптивное изменение степени сжатия речевых сигналов в зависимости от имеющегося ресурса пропускной способности. Так, если в восьмиканальной ОЦАЛ речевыми сигналами заняты четыре канала, в блоке АЦП применяется АДИКМ 32 кбит/с, а если все восемь – используется АДИКМ 16 кбит/с. Это позволяет пользователю конфигурировать передаваемую нагрузку по своему желанию. Например, в этой ЦАЛ можно организовать один тракт передачи данных 64 кбит/с и два телефонных тракта по 32 бит/с.

Остальные представители первой группы технологий ЦАЛ отличаются от рассмотренной системы применяемыми методами модуляции цифрового сигнала. Для примера рассмотрим особенности построения оборудования, реализующего технологию HDSL II.

Системы ВЦАЛ-2 используются, как правило, для обеспечения ПД со скоростью 2,048 (1,544) Мбит/с по 2-проводной АЛ. Главной особенностью рассматриваемой технологии является применение АИМ-16 (PAM-16) и нового способа разделения направлений передачи, получившего название OPTIS (Overlapped Pulse Amplitude Modulated Transmission with Interlocked Spectra) [6].

Метод OPTIS опирается на аддитивные свойства АИМ и объединяет достоинства ЧРНП и ДРНП. Полоса пропускания ЦАЛ разбивается на частотные подканалы (A, B и С), а принимаемое сообщение выделяется при помощи ДС и активных эхокомпенсаторов посредством вычитания из суммарного сигнала известного сигнала своей передачи. Диапазоны частот, занимаемые каждым из направлений передачи, несмотря на равные скорости импульсных потоков, имеют различную ширину. Эти диапазоны не совпадают, но перекрываются. При передаче спектрам мощности сигналов встречных потоков ЦАЛ задается различная форма, учитывающая в числе других факторов параметры конкретной АЛ (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Спектр мощности сигналов при разделении направлений передачи АЛ методом OPTIS

Такие системно-технические решения обеспечивают в стан-ционном полукомплекте ЦАЛ максимальное снижение мощности переходных помех на ближнем конце [6, 22, 24].

Здесь следует отметить, что переходные помехи на ближнем конце долгое время ограничивали скорость ПД для 2-проводных систем xDSL величиной 1,024 Мбит/с.

Станционные полукомплекты всех направлений связи располагаются в едином конструктиве DSLAM, т. е. пространственно сближены. Поэтому с приемной стороны DSLAM достижимое отношение сигнал/переходная помеха долгое время не отвечало требованиям высокоскоростной ПД. Для абонентских полукомплектов, расположенных у пользователей и поэтому пространственно разнесенных, данный фактор не имел решающего значения.

Метод OPTIS позволил преодолеть возникшие трудности, а полученная в результате многих исследований форма спектральной плотности мощности сигналов получила название "interlocking", что можно перевести как "сцепленный" или "сблокированный" спектр.

Функциональная схема модема абонентского полукомплекта ВЦАЛ-2, реализующего метод OPTIS, представлена на рисунке 3.8. Основными узлами такого устройства являются блоки цифрового окончания (ЦО), формирования битового потока (ФБП) и сопряжения с АЛ.

Рис. 3.8. Функциональная блок-схема типового модема ВЦАЛ-2

Блок цифрового окончания обеспечивает независимость цикла передачи модема ВЦАЛ-2 от структуры входного цифрового потока, что позволяет использовать полезную емкость тракта либо как единый цифровой канал 1,544 (2,048) кбит/с, либо как совокупность цифровых каналов меньшего объема (16, 32, 64, … кбит/с). Таким образом, модем становится "прозрачным" к виду абонентской нагрузки.

Согласующие устройства (СУ) блока обеспечивают физическое подключение абонентских устройств и ввод/вывод служебного канала (С-канала) для обмена СУВ со станционным полукомплектом. Этот канал емкостью 8 кбит/с формируется в регистре управления и состояния (РУС). Данный регистр также отвечает за установление режима работы модема: диагностика (шлейф в ЦО) или ПД.

Цифровой поток с суммарной скоростью 1552 (2,056) кбит/с поступает на формирователь битового потока (Bit Pump). Его основная функция на передаче – синтез сигнала в соответствии с требованиями метода OPTIS.

Формирователь кортежей (Форм. корт) преобразует каждые три бита принимаемого сигнала в одиночные символы – кортежи (tupples). В кодере TCM к трем битам каждого кортежа добавляется избыточный бит, формируемый в генераторе проверочных символов (Ген. ПС), и в результате операции свертки образуется "решетчатый" код – 16-уровневый АМИ сигнал. Избыточные биты используются в ходе функционирования устройства защиты от ошибок (УЗО), которое по командам с УУ реализует алгоритмы РОС (в зависимости от качества приема обеспечивает повтор предыдущего или передачу следующего цикла). Фильтр передатчика (Tx Filter) принимает символы с выхода УЗО и формирует сигнал в соответствии с "маской", представленной на рисунке 3.7.

На приеме блок ФБП осуществляет вычитание сигнала своей передачи, преобразованного ЭХК из суммарного сигнала на выходе ДС. При этом на выходе сумматора-формирователя (СФ), собранного на сигнальном процессоре, получается АИМ дискретный поток. Линейный усилитель (ЛУС) приема, охваченный АРУ, обеспечивает компенсацию медленных замираний принимаемого сигнала.

Декодер TCM выполнен в виде трех работающих совместно устройств: корректора (Кор) приема, квантователя (Кв) и декодера Витерби (ДВ). Корректор приема включает адаптивный фильтр, компенсирующий межсимвольные искажения, и корректор РОС, осуществляющий проверку правильности приема проверочных бит. Квантователь выполняет пробную идентификацию принятых символов, необходимую для дальнейшей реализации алгоритма Витерби.

Данный алгоритм позволяет декодеру принять решение на основе оценки параметров не отдельного импульса, а последовательности символов, что способствует снижению вероятности битовой ошибки (Bit Error Ratio, BER). Применение АИМ с решетчатым кодированием и рассмотренной системы декодирования способствует, при прочих равных условиях, увеличению отношения сигнал/шум на 5 дБ.

Модуль УУ включает микропроцессор и устройства памяти, необходимые для регулирования процессов установления режимов работы модема, формирования битового потока, эхокомпенсации и декодирования, а также защиты от ошибок.

Блок сопряжения с АЛ выполняет типовые для данной категории устройств функции обеспечения физического подключения АЛ. ДС позволяет перейти от 2-проводной схемы АЛ к 4-проводной схеме модема, а также участвует в реализации метода OPTIS, используя адаптивно перестраиваемый балансный контур (БК). ЛУС передачи способствует повышению мощности и фильтрации сигнала на передачу. Входной усилитель предназначен для предварительного усиления и фильтрации принимаемого сигнала.

Модулятор (демодулятор) служит для получения (восстановления) сигнала с характеристиками, согласованными с параметрами используемой АЛ. В дорогих системах ВЦАЛ-2, как правило, приме-няется ДММ. Линейный трансформатор с устройством защиты от перенапряжений и фильтром радиопомех формирует линейное окончание модема.

Станционный полукомплект ВЦАЛ-2 имеет аналогичную функциональную схему и строится на той же компонентной базе. Его УУ кроме рассмотренных ранее функций организует обмен СУВ с СК соответствующих телекоммуникационных сетей.

Особенностью оборудования ЦАЛ второй группы является сохранение аналогового речевого тракта 0,3–3,4 кГц, поэтому в абонентской линии обычно организуется три подканала: аналоговый телефонный, высокоскоростной поток к абоненту и низкоскоростной от абонента [24].

Исследования показали, что диапазон частот, пригодный для ПД по паре металлических проводов, может составлять полосу от 4 кГц до 1 МГц. Однако не все реальные АЛ (особенно большой протяженности), имеют требуемые характеристики, поэтому в существующих системах АЦАЛ приходится ограничивать полосу пропускания тракта ПД значением 500 кГц, что влечет за собой соответствующее уменьшение скорости потоков.

Скорости передачи встречных импульсных последовательностей зависят не только от характеристик собственно физической цепи. Исследования показали, что решающим фактором, ограничивающим качество функционирования АЦАЛ, является мощность переходной помехи на дальнем конце. Достижимое на сегодняшний день отношение сигнал/помеха не позволяет в отечественных АЛ превысить скорость передачи потока данных к пользователю в 2 Мбит/с. Полоса частот, выделяемая для встречного подканала, значительно уже, поэтому скорость передачи в нем обычно ограничена несколькими сотнями кбит/с. Рассмотренные подканалы ПД (высокоскоростной к пользователю и низкоскоростной к сети) могут разделяться на основе ЧРНП или ДРНП.

На рисунке 3.9 показаны полосы частот, занимаемые подканалами различных технологий ЦАЛ, в том числе симметричных. Из представленного видно, что на АЛ низкого качества целесообразно использовать систему IDSL как самую узкополосную (рис. 3.9, а). Тогда скорость ПД в подканалах не превысит 160 кбит/с.

Сигнал АЦАЛ с ЧРНП имеет самый широкий спектр, однако в данной системе имеется возможность организации двунаправленного служебного подканала (рис. 3.9, б). Очевидно, для реализации такой АЦАЛ качество АЛ должно быть самым высоким.

При недостаточно высоком качестве медной пары рациональными решениями проблемы абонентского доступа могут быть системы АЦАЛ с ДРНП (рис. 3.9, в) или ВС ЦАЛ-2 (рис. 3.9, г).

Модем АЦАЛ включает те же функциональные узлы и реализует те же технические решения, что и рассмотренные ранее модемы. Основное отличие абонентского полукомплекта АЦАЛ заключается в наличии частотного разделителя (встроенного или внешнего).

Здесь следует отметить, что в системах G.lite аналоговый телефонный канал отделяется от тракта ПД защитной частотной полосой, что позволило не применять POTS Splitter. При этом для снижения взаимного влияния трактов G.lite друг на друга пришлось существенно снизить скорость передачи пользовательской информации.

В подканалах ПД всех асинхронных систем DSL, как правило, реализуются алгоритмы защиты от ошибок на основе решающей обратной связи. В высокоскоростном тракте могут использоваться решетчатые, а в низкоскоростном (служебном) циклические помехоустойчивые коды [3].

Выходной сигнал асинхронных систем передачи ЦАЛ формируется, как правило, на основе CAP или DMT-256.

Рис. 3.9. Спектральные характеристики типовых систем ЦАЛ: а – симметричных (на примере IDSL и HDSL II); б – асимметричных (ADSL) с ЧРНП; в – асимметричных (ADSL) с ДРНП

В целом асинхронные системы ЦАЛ представляют собой альтернативу синхронным DSL и ЦСП, так как ориентированы на интер-активные услуги с преобладанием потока данных к пользователю. Особенно удобны такие средства связи для пользователей, ориентированных на удаленный доступ к базам (хранилищам) данных (знаний) или доступ в Internet.

В качестве вывода по разделу следует отметить, что, несмотря на имеющиеся различия, все технологии xDSL представляют собой оборудование цифрового абонентского доступа, предназначенное в основном для работы по медным парам. Такие направляющие системы в большом количестве имеются в системах абонентского доступа современных ССОП. Как средство ПД оборудование xDSL занимает промежуточное положение между телефонными модемами и ЦСП.

Однако все чаще средства xDSL используются для:

  • организации абонентских выносов;
  • оборудования соединительных линий между СК местных сетей;
  • формирования линий передачи распределительных сетей СД;
  • обеспечения привязки небольших СК местных сетей к оконечным узлам ТС.
  • Недостатками технологии ЦАЛ на сегодняшний день считаются:
  • возможность организации связи только в конфигурации "точка–точка";
  • ограниченность показателей качества связи от мощности переходной помехи на ближнем конце станционного полукомплекта ЦАЛ;
  • необходимость использования дорогостоящей кабельной инфраструктуры (структурированных кабельных систем пятой категрии) при необходимости передачи данных на скорости выше 2 048 кбит/с на расстояние, большее одного километра;
  • невозможность плавного изменения скорости ПД для более точного ее согласования с текущими параметрами АЛ как это делается в модемных протоколах V.34 [6];
  • отсутствие в современных СК абонентских комплектов, обеспечивающих интегрированное включение оборудования xDSL, в то время как абонентские комплекты СК для ЦСИС разработаны и получили широкое распространение [8].


4. Организация систем широкополосного проводного абонентского доступа

Вопросы построения широкополосных абонентских сетей стали возникать после разработки телекоммуникационных услуг, обеспечивающих распространение мультимедиа-продукции в реальном масштабе времени. На сегодняшний день для решения подобных задач используется несколько различных подходов, отличающихся степенью реорганизации существующей СД, применяемой коммутационной техникой и используемыми направляющими системами.

По мнению специалистов, наиболее простой, но дорогостоящий способ увеличения производительности "последней мили" – прокладка в СД волоконно-оптических линий связи, которые имеют широкую полосу пропускания и позволяют внедрять самые современные услуги связи. Однако практика показывает, что операторы связи могут использовать и другие способы построения систем широкополосного проводного абонентского доступа.



4.1. Организация абонентского доступа посредством концентрации абонентской нагрузки

Как отмечалось ранее, построение отдельных сетей для каждого вида трафика, как и отдельных систем абонентского доступа для каждого пользователя, экономически нецелесообразно. Одним из возможных решений задачи  построения единой инфраструктуры сети абонентского доступа в условиях пространственной удаленности пользователей и ограниченного числа оконечных коммутационных систем является применение средств концентрации абонентской нагрузки. К таким средствам, как правило, относят учрежденческие АТС (УАТС),  мультиплексоры (частотные, временные, статистические и  пр.), концентраторы  различного типа (например цифровые концентраторы телефонных линий) и др. Перечисленное оборудование предназначено для объединения абонентского трафика  проводных или беспроводных АЛ и  передачи группового сигнала к узлу соответствующей сети (СТфОП и/или СПД) по кабелю (например волоконно-оптическому).



4.1.1. Построение систем абонентского доступа на основе мультиплексоров

Простым способом подключения к сети группы абонентов с однотипными терминальными устройствами является применение мультиплексоров (МР). Широкое распространение получили МР, использующие технологию временного разделения каналов (Time Division Multiplex, TDM). Это вид мультиплексирования, при котором парам взаимодействующих систем для передачи данных физический канал предоставляется по очереди. Для построения абонентских узлов концентрации применяется каскадное соединение МР [19]. Недостатком типовых МР, реализующих TDM, является ограниченность номенклатуры поддерживаемых ими интерфейсов [8]. Как правило, такие МР способны объединять каналы плезиохронной цифровой иерархии (ПЦИ) от E0 до E3.

На основе МР TDM разработано целое поколение "гибких" мультиплексоров, которые наряду с объединением каналов ПЦИ способны поддерживать взаимодействие с оконечными станциями в ходе предоставления абонентам различных услуг связи. Вариант построения сети доступа на основе мультиплексоров типа МП представлен на рисунке 4.2.

Мультиплексоры МП обеспечивают формирование из сигналов абонентских интерфейсов (АИ) с различными скоростями передачи (аналоговых, цифровых, базового доступа УЦСИС) групповых цифровых сигналов Е1 (G.704) одного (МП-1), двух (МП-2), четырех (МП-4) и восьми (МП-8) направлений передачи [25].

Рис. 4.1. Применение мультиплексоров типа МП-2 в сети доступа

Блоки абонентских интерфейсов конфигурируются под конкретные приложения. В приведенном примере:

  • блок АИ АТА обеспечивает аналоговые интерфейсы, осуществляет ввод/вывод речевых сигналов в диапазоне 0,3–3,4 кГц, их преобразование в ОЦК. Блок АИ АТА реализуется в виде совокупности абонентских и станционных комплектов, позволяющих подключить соответствующее количество абонентских и соединительных линий и интерпретировать сообщения сигнализации аналоговых АТС;
  • блок АИ ЦТА предназначен для ввода/вывода ОЦК в сигнал Е1 одного из направлений передачи;
  • блок АИ ЦСИС организует базовый доступ УЦСИС. Реализация цифровых АЛ при этом может осуществляться как на уровне S/T так и U-интерфейсов.

При необходимости любой из указанных МП может снабжаться блоками АИ RS-232С, V.35, V.36/X.21 и др.

Станционные интерфейсы МП могут быть представлены разнообразными средствами – от стандартных блоков первичного группового сигнала (ПГС) до систем HDSL и устройств формирования волоконно-оптического линейного тракта (ВОЛТ). Схема подключения станционных окончаний типового мультиплексора МП представлена на рисунке 4.2.

Из схемы видно, что мультиплексор МП-2 обеспечивает прием/передачу потоков Е1 из ВОЛТ или HDSL-тракта с возможностью резервирования по типу "1+1", преобразование сигналов, принятых из АЛ в ОЦК 64 кбит/с, и мультиплексирование их в поток Е1 одного из направлений передачи. Кроме того, МП способен реализовать транзитную передачу невыделяемых из одного потока Е1 индивидуальных цифровых сигналов в другой поток Е1.

Центральным элементом схемы является системный блок МП, в составе которого следует выделить управляющее устройство, собранное на микропроцессоре, контроллеры информационной и управляющих шин, устройства памяти, в которых хранятся программное обеспечение МП, данные конфигурации АИ и блоков ПГС.

Блок контроля и управления (КУ) предназначен для подключения средств мониторинга МП, например ПЭВМ оператора (техника). Этот интерфейс используется при необходимости переконфигурировать мультиплексор (например заменить АИ).

Рис. 4.2. Обобщенная функциональная схема мультиплексора МП-2

Последние поколения МР допускают применение расширенного перечня типов блоков АИ. Так, при необходимости предоставления абонентам услуг пакетной телефонии и ПД вместе с МР TDM следует применять дополнительные устройства (пакетные маршрутизаторы) либо использовать статистические мультиплексоры (статистическое уплотнение данных и сжатие речевой информации). Например, для обеспечения абонентского доступа к сети Frame Relay используются либо устройство, называемое сервер доступа FR (Frame Relay Access Device, FRAD), либо мультипротокольный пакетный (периферийный) коммутатор. Последний представляет собой универсальное устройство (рис. 4.3), совмещающее в себе функции узла коммутации и доступа Frame Relay, центр коммутации пакетов Х.25, моста/маршрутизатора локальной вычислительной сети (ЛВС), телефонного коммутатора и пр.

В последние годы с ростом возможностей периферийных мультиплексоров, расширением номенклатуры поддерживаемых ими протоколов появилось новое поколение коммутационной техникимногофункциональные мультиплексоры (ММ). В сетях доступа на ММ могут возлагаться функции коммутатора, маршрутизатора, моста ЛВС и мультиплексора "речь/данные/факс/видео" и шлюза защиты информации [6, 8, 19, 22].

Последние образцы ММ поддерживают только коммутацию пакетов, что, по мнению части экспертов, позволяет сконфигурировать устройство исходя из любых потребностей конкретных пользователей. Очевидно, что такое решение существенно усложняет управление сетью абонентского доступа и увеличивает его стоимость.

 

Рис 4.3. Система доступа на основе мультиплексоров с FRAD

Так, при создании СД на базе ММ одной из важнейших задач является совместная маршрутизация информации, имеющей ограниченное время передачи (речь, звук и видео "в прямой трансляции") и данных, допускающих задержку при доставке (электронная почта, факс, звук и видео "в записи").

Сообщениям первого типа ("интерактивной" информации) присваивается приоритет (относительный или абсолютный) перед сообщениями второго типа. В соответствии с существующими стандартами суммарная задержка речевого сигнала в тракте "абонент–абонент" не должна превышать 150 мс. В сетях с коммутацией пакетов добиться выполнения этого требования только назначением приоритетов не всегда удается. Особенно это проявляется при связи на расстояниях свыше 1 000 км.

Данные обстоятельства заставили разработчиков и производителей мультиплексоров "вернуться" к коммутации каналов. Современные ММ реализуют совместную (гибридную и/или адаптивную) коммутацию каналов и пакетов, обеспечивая организацию сквозных соединений для передачи "интерактивной" информации.

Таким образом, современные МР поддерживают существующие протоколы передачи и сигнализации. Однако отсутствие в МР специальных средств управления СД не позволяет этим средствам коммутации вытеснить УАТС из местных сетей.



4.1.2. Построение систем абонентского доступа на основе УАТС

Крупные локальные группы пользователей, удаленные от оконечных сетевых узлов, целесообразнее всего объединять при помощи УАТС. Современные УАТС поддерживают большинство имеющихся технологий передачи информации и протоколов сигнализации, что способствует созданию сетей доступа с полной номенклатурой телекоммуникационных услуг (рис. 4.4). На УАТС могут возлагаться задачи аналого-цифрового и цифроаналогового сопряжения сети доступа и транспортной сети. Кроме того, на УАТС могут быть возложены задачи базовой станции беспроводной связи (например DECT) или контроллера базовых станций макро- (GSM, NMT), микро- (DECT, СТ-2) или пикосотовых сетей связи [6].

 

Рис. 4.4. Система доступа на основе УАТС

Возможности УАТС существенно определяются ее конфигурацией, которая, в свою очередь, обусловливается информационными потребностями конкретных пользователей этой локальной группы. Наличие в УАТС интерфейсных плат (рис. 4.3) для организации различных видов проводного и беспроводного доступа увеличивает стоимость системы. Однако такое решение является эффективным с точки зрения дальнейшего наращивания сети доступа как в сторону увеличения числа абонентов, так и с точки зрения расширения перечня предоставляемых услуг.

Нагрузка УАТС в явном виде делится на внутреннюю, исходящую и входящую. Наличие собственных коммутационных приборов позволяет при помощи УАТС изолировать сеть связи от внутреннего трафика этой локальной группы абонентов. Фактически УАТС имеет свою локальную сеть доступа, на которой может использоваться любая из соответствующих технологий (модемы, xDSL средства и др.). Соединительные линии (СЛ) от УАТС к АТС также могут реализовывать различные технологии передачи сигналов, в том числе использовать АСП, ЦСП, средства xDSL и оборудование первичного доступа ЦСИС.

Подключение УАТС [6, 26] к базовой сети может осуществляться двумя способами (рис. 4.5):

  • к абонентскому окончанию АМТС базовой сети (рис. 4.3, а);
  • к станционному окончанию АМТС базовой сети (рис. 4.3, б).

 

Рис. 4.5. Варианты подключения УАТС к базовой сети:

а – к абонентскому окончанию АМТС;

б – к станционному окончанию АМТС

Первый случай подключения характеризует УАТС как средство расширения номерной емкости АМТС. Во втором случае УАТС становится практически полноправным элементом базовой сети.

В промышленном секторе на УАТС могут возлагаться функции организации диспетчерских, оперативных, сервисных и/или справочных сетей и служб. Это связано с тем, что, в отличие от мультиплексоров УАТС может иметь рабочие места телефонистов, позволяющие вмешиваться операторам станции в процессы обслуживания вызовов, управлять алгоритмами установления соединений и т. д.

Развитие УАТС осуществляется в настоящее время посредством расширения номенклатуры предоставляемых услуг и поддерживаемых протоколов. Современные коммутационные системы обеспечивают совместную (гибридную или адаптивную) коммутацию каналов и пакетов [19].

Другим направлением развития данной технологи доступа является реализация концепции "компьютерно-телефонной интеграции" (Computer Telephone Integration, CTI). Сущность данного подхода состоит в объединении на единой аппаратно-программной платформе функций коммутационной системы и центрального сервера ЛВС предприятия [8, 26].

Конструктивно такая УАТС (рис. 4.6) представляет собой ПЭВМ, в составе которой имеются платы линейных окончаний и специализированное программное обеспечение (ПО). Такие коммутационные системы получили название "псевдоАТС" (un-PBX).

Для УАТС на основе ПЭВМ упрощается решение вопросов обеспечения ПД, взаимодействия с ЛВС, базами данных и другими информационными приложениями. Однако разработанные на сегодняшний день платы линейных окончаний имеют ряд ограничений как по поддерживаемым технологиям сигнализации, так и по предоставляемым дополнительным видам обслуживания. Но un-PBX, в отличие от типовых УАТС, являются открытыми системами в смысле дальнейшего своего совершенствования без привязки к конкретной технологии СД, а только посредством внесения изменений в ПО.

УАТС на основе интеллектуальных серверов являются на сегодняшний день технологической вершиной развития un-PBX. Такая УАТС способна [26]:

  • выбрать оптимальный в текущих условиях алгоритм обслуживания вызовов (для речи, ПД, мультимедиа-приложений);

Рис. 4.6. Упрощенная структурная схема УАТС на базе ПЭВМ

  • организовать деятельность офиса через специальную систему оповещения (систему "офис-менеджмента");
  • переконфигурировать ЛВС, например под нужды проводимой теле- или видеоконференции;
  • оказать помощь сотрудникам при эксплуатации данной un-PBX, рабочих станций ЛВС или в ходе использовании тех или иных информационных (телекоммуникационных) услуг.

Из-за широкого применения Internet-технологий un-PBX стали строиться не посредством расширения возможностей одной из рабочих станций корпоративной ЛВС, а на основе модернизации средств IP-сети (например на аппаратно-программной базе привратника или шлюза Н.323).

Несмотря на используемое название рассмотренного подхода "компьютерно-телефонная интеграция", современные un-PBX обеспечивают предоставление пользователям большого объема нетелефонных услуг связи, в том числе поддержку работы распределенного коллектива, видео по запросу и даже телевидение.

По мнению специалистов, дальнейшее развитие коммутационных систем малой емкости СД будет осуществляться в направлении слияния многофункциональных мультиплексоров, УАТС и un-PBX. При количестве пользователей свыше 100 предпочтительнее применение традиционных УАТС и АТС [6, 19, 26].

Появление волоконно-оптических систем передачи также повлияло на развитие коммутационных систем СД. Рассмотренные ранее устройства концентрации абонентской нагрузки, ориентированные на формирование агрегатного потока 2 048 кбит/с, создавались главным образом для работы по металлическим кабелям. Но с ростом информационных потребностей абонентов на устройство концентрации может поступать несколько компонентных цифровых сигналов 2 048 кбит/с, которые требуется объединить в агрегатный поток 20 и более Мбит/с. В данных условиях целесообразно использовать коммутационную систему с волоконно-оптическим станционным окончанием.



4.1.3. Организация абонентского доступа на основе цифровых абонентских концентраторов

Внедрение в современных системах абонентского доступа оптических направляющих систем привело к появлению целого семейства средств концентрации абонентской нагрузки с последующей ее передачей по волоконно-оптическому кабелю [2, 3, 10]. Такие средства получили название "цифровые системы концентрации телефонных линий" (Digital Loop Carrier, DLC). Аппаратура рассматриваемого типа реализует мультиплексирование/демультиплексирование цифровых потоков, принимаемых по АЛ, поэтому считается, что данный вид оборудования занимает промежуточное положение между УАТС и мультиплексорами, обеспечивая передачу данных по любому типу оптических кабелей со скоростью от 1,2 до 34 368 кбит/с. На передаче оборудование DLC представляет собой мультиплексор на базе TDM с различными пользовательскими интерфейсами и линейным интерфейсом для непосредственного подключения к ОК (линейный код CMI). На приеме выполняются обратные преобразования. Архитектура построения сети абонентского доступа на основе применения технологии DLC представлена на рисунке 4.7.

Станционный полукомплект DLC (Ст. DLC), взаимодействующий с АТС и коммутатором сети передачи данных, устанавливают в помещении сетевого узла или узла доступа, абонентские полукомплекты (Аб. DLC) – в местах концентрации пользователей. Вместе станционные и абонентские полукомплекты и ОК между ними образуют систему передачи DLC.

Терминальное оборудование подключается к абонентским полукомплектам посредством обычных медных пар (АЛ), а при наличии плат базового радиоблока DECT – по радио. В отличие от традиционных решений, где абонентское устройство (терминал) соединяется непосредственно с АТС с помощью витой медной пары, в технологии DLC к АТС подводится цифровой групповой поток, в котором содержится несколько десятков или даже сотен каналов.

Станционный полукомплект DLC подключается к АТС цифровыми соединительными линиями. В современных системах DLC групповой поток передается по двум оптическим волокнам (ОВ), находящимся в одном или разных ОК.

Рис. 4.7  Общая схема организации абонентского доступа на основе технологии DLC

Для подключения станционного полукомплекта DLC к АТС вместо ОК возможно применение симметричного кабеля или организация радиорелейной линии, однако данные режимы являются, как правило, аварийными.

Набор пользовательских интерфейсов абонентских полукомплектов DLC включает в себя аналоговый абонентский двухпроводной интерфейс (Z-интерфейс), аналоговый интерфейс с сигнализацией Е&М, цифровой интерфейс (V.24 или V.35), интерфейс ЦСИС. Станционные интерфейсы предусматривают подключение к аналоговым АТС (по абонентскому двухпроводному стыку или интерфейсу Е&М), цифровым АТС (по стыку Е1 с сигнализацией V.51 или стыку Е3 с сигнализацией V.52). Естественно, предусматривается и подключение по интерфейсу ЦСИС и цифровому интерфейсу V.24/V.35 для подключения к сети передачи данных.

Линейные интерфейсы современной аппаратуры DLC весьма разнообразны. Оптический интерфейс предназначен для подключения полукомплектов DLC к ОВ (линейная скорость передачи от 34 до 155 Мбит/с). Длина волны лазерного излучателя может быть либо 1 310, либо 1 540 нм. Электрический интерфейс соответствует стандартам ПЦИ (Е1–Е3), позволяет подключаться к высокоскоростным сетям, например к сети синхронной цифровой иерархии. Есть возможность подключать аппаратуру через тракты HDSL или радиорелейные линии, а на небольших расстояниях (до 1 км по Е1) соединять элементы системы непосредственно.

Один абонентский полукомплект DLC реализует концентрацию трафика от группы абонентских терминалов численностью до 672 аппаратов. Увеличение мощности узлов доступа реализуется установкой дополнительных полукомплектов аппаратуры. Так, при использовании двух таких блоков и встроенного узла статистического уплотнения появляется возможность для подключения до 2 016 абонентов. Станционные полукомплекты DLC могут работать встречно на межстанционных соединительных линиях, что позволяет строить сети абонентского доступа разной конфигурации, например "звезда", "каскад", "дерево".

В состав типовой системы DLC входит один станционный полукомплект и один или нескольких абонентских полукомплектов. Конструктивно каждый полукомплект представляет статив, который может содержать от одной до восьми 19-дюймовых кассет, одна из которых – блок оптического окончания для подключения ОК. Система DLC управляется с помощью персонального компьютера, подключаемого к любому из полукомплектов. Программное обеспечение позволяет производить конфигурацию (в том числе назначение временных каналов – CROSS-CONNECT), обслуживание, аварийный надзор, самодиагностику, учет нагрузки, сбор статистики, администрирование и т. д.

Современная система передачи DLC может взаимодействовать с периферийными коммутаторами пакетных СПД (по аналогии с рассмотренным выше) и обеспечивает передачу этого трафика по ОК. В перспективных образцах предусматривается интеграция технологий DLC и АТМ.



4.2. Организация абонентского доступа на основе кабельных модемов

Из изложенного в разделе 1 следует, что экстенсивные методы расширения номенклатуры услуг, предоставляемых пользователям современными телекоммуникационными сетями, предусматривают прокладку не только 2-проводных абонентских линий. Ряд использовавшихся ранее технологий доступа подразумевал строительство разветвленных кабельных систем с использованием многопарных симметричных и коаксиальных кабелей.

Применение симметричных и/или коаксиальных кабелей в сетях доступа связано прежде всего с развитием систем кабельного телевидения (КТВ), разработка и широкое внедрение которых реализуются с 80-х годов прошлого века [27]. Эти системы изначально предназначались только для доставки в квартиры и офисы совокупности аналоговых телевизионных каналов (по 6 МГц). Сегодня разработчиками оборудования абонентского доступа решается проблема интегрированного использования указанных кабельных систем для предоставления пользователю не только каналов аналогового телевидения, но и услуг аналоговой телефонии и/или передачи данных.

В настоящее время главным принципом построения СД является использование существующих физических цепей для предоставления пользователю всего комплекса телекоммуникационных услуг и прежде всего услуг ПД. Устройства, предназначенные для обеспечения высокоскоростной передачи данных по коаксиальным абонентским кабельным системам, получили название "сетевые кабельные модемы" (СКМ). В России такое оборудование нашло свое применение, главным образом, на сетях кабельного телевидения (КТВ), где оно используется для организации доступа в Internet.

Современные системы КТВ строятся, как правило, коаксиальными или гибридными (волоконно-коаксиальными). В гибридных системах КТВ волоконно-оптический кабель прокладывается от узла доступа (рис. 4.8, а) до здания или распределительного устройства (шкафа). Далее коаксиальным кабелем реализуется шинная конфигурация (например "шина на подъезд" или "шина на офис").

Для ПД по такой кабельной системе используются СКМ, позволяющие организовать получение информации, например из сети Internet, по свободным от передач телевизионным (ТВ) каналам. Скорость получаемых данных может превышать 40 Мбит/с и этот ресурс является общим (из-за шинной конфигурации сети) для всех абонентов, подключенных в текущий момент к СПД, и, следовательно, делится поровну между ними. Но даже с учетом этого СКМ является недорогим средством высокоскоростной ПД (4–8 Мбит/с на пользователя), что недостижимо для телефонных модемов, средств основного доступа ЦСИС и недорогих xDSL-систем.

Станционный полукомплект СКМ размещается на узле доступа и обеспечивает обработку пользовательских запросов, высокоскоростную ПД к абонентам и взаимодействие с коммутационной системой СПД. Абонентский полукомплект СКМ подключается к ТВ разделителю (антенному входу абонентской установки) и предназначен для организации трактов пользовательских запросов (от абонентов) и получения данных (от сети) оконечными средствами (ПЭВМ).

Здесь следует отметить, что из-за шинной организации СД и общности ресурса пропускной способности недостатком первых СКМ являлась слабая защищенность процессов ПД конкретного пользователя от несанкционированного доступа (НСД) и атак через Internet. Но доступность и низкая стоимость СКМ привели к тому, что за первые 2 года своего внедрения в Западной Европе к услугам ПД по системе КТВ было подключено более 1 млн абонентов [28].

Формируемый канал ПД может быть симметричным и асимметричным. В последнем случае скорость передачи в направлении к сети (US) значительно ниже скорости передачи в обратном направлении (DS). По способу разделения направлений передачи различают два способа организации асимметричного доступа через систему КТВ: Cable-Return и TELCO-Return.

В первом случае – Cable-Return – для подканала запросов в полосе пропускания кабеля выделяется специальная частотная полоса и дуплекс организуется по одному кабелю (рис. 4.8, а). Такая система доступа способна поддерживать в направлении к сети скорость передачи до 10 Мбит/с (общий ресурс), она проста и экономична. Кроме того, при небольшой модернизации система может быть реорганизована в симметричную. Однако взаимное влияние подканалов ПД друг на друга и на ТВ трансляцию может привести к заметному ухудшению качества получаемых услуг. Кроме того, необходимо принимать меры по разграничению (разрешению конфликтов) доступа пользователей к общему ресурсу запросного канала.

В некоторых системах КТВ используются усилители, из-за чего передача по коаксиальному кабелю может осуществляться только в одном направлении – от сети к абоненту (рис. 4.8, б). Тракт запросов в этом случае организуется через телефонный модем (встроенный в СКМ или внешний) и СТфОП (TELCO-Return). Такая система доступа дороже и сложнее в управлении. При этом необходимо занимать еще и телефонную линию, устанавливать соединение через СТфОП (скорость запросного подканала не выше 33,6 кбит/с для каждого пользователя). Однако в данных условиях качество ТВ передач и принимаемого потока данных самое высокое.

Современные СКМ выпускаются в соответствии со стандартом DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification), вытесняющим разработанные ранее частные стандарты ПД по сетям СКМ. В данном стандарте, реализующем технологию Cable-Return, предусмотрены асимметричный и симметричный режимы работы. Преимущество СКМ DOCSIS перед всеми предшествующими типами аналогичного оборудования заключается в поддержке пакетных протоколов ПД (включая АТМ) и интерфейсов ЛВС, а также в наличии специальных мер по поддержанию конфиденциальности услуг ПД (защита от НСД и атак через Internet, шифрование и т. д.).

Рис. 4.8. Общая схема организации доступа к услугам передачи данных по сети КТВ:

а – по технологии Cable-Return с гибридной (волоконно-коаксиальной) сетью КТВ;

б – по технологии TELCO-Return с коаксиальной сетью КТВ, оборудованной усилителем

Европейская версия данного стандарта DOCSIS обозначается EuroDOCSIS. Применяемые в стандарте методы передачи позволяют объединить достоинства рассмотренных выше методов организации высокоскоростной ПД по сети КТВ. Для сравнения в таблице 4.1. приведены основные характеристики применяемых на практике типов СКМ [27, 28].

Таблица 4.1

Общая характеристика средств доступа по системе аналогового КТВ

Тип СКМ

Скорость ПД

Примечания

LanCity

DS до 10 Мбит/с

US до 10 Мбит/с

Модуляция: QPSK (DS и US). Организация подканалов в диапазонах 54–750 MГц (DS) и 5–42 MГц (US) шириной по 6 MГц (DS и US)

NetGame

DS до 10 Мбит/с

US до 5 Мбит/с

Аналогично, но организация подканалов в диапазонах 85–750 MГц (DS) и 5–42 MГц (US)

Terayon

DS до 6 Мбит/с

US до 6 Мбит/с

Модуляция: S-CDMA (DSи US). Организация подканалов в диапазонах 88-750 MГц (DS) и 5-42 MГц (US) шириной до14 MГц (DS) и до 10 МГц (US). Доступ к среде ПД по протоколу MAC. Поддерживает пакетную ПД и АТМ

Com21

DS до 30,3 Мбит/с

US до 10 Мбит/с

Модуляция: 64QAM и QPSK. Организация подканалов в диапазонах 88–800 MГц (DS) и 5–40 MГц (US) шириной по 6 MГц (DS и US). Поддерживает пакетную ПД и АТМ. IP, предусмотрено пользовательское шифрование и защита от НСД

Euro

DOCSIS 1.0

Spec I.

DS до 42 Мбит/с

US до 10 Мбит/с

Модуляция: 64QAM или 256 QAM (DS), QPSK (US). Организация подканалов в диапазонах 88–860 MГц (DS) и 5–40 MГц (US) с динамическим выбором наилучшего шириной по 6 MГц (DS) и до 3,2 (US). Поддержка трехуровневого мультипротокола. Шифрование на двух уровнях и защита от НСД

В настоящее время интерес к применению СКМ постепенно спадает, так как вновь вводимые системы КТВ используют технические решения, более соответствующие современному уровню развития пакетных технологий доступа, например средства АТМ и MPLS.

Необходимо также отметить, что проводные средства доступа по-прежнему являются основным оборудованием СД. Структурированные кабельные системы, коаксиальные, симметричные и волоконно-оптические кабели – все это является технической основой достижения потенциальных характеристик пропускной способности местных и терминальных сетей.

Осознание больших возможностей ОК разработчиками и производителями техники связи привело к появлению ряда специализированных направлений архитектурного построения СД. Основными из них являются [2, 3, 80 и др.]:

  • гибридная волоконно-коаксиальная сеть (Hybrid fiber/coax, HFC) строится на основе коаксиальной и волоконно-оптической кабельных систем;
  • концепция "волокно в монтажный шкаф" (Fiber to the curb, FTTC) предусматривает прокладку ОК от центрального узла (районной АТС) до распределительного шкафа (как правило, уличного исполнения), от которого к абонентам организуются витые пары;
  • концепция "волокно в дом" (Fiber to the home, FTTH) предусматривает прокладку ОК до пользовательского помещения, поэтому является самой широкополосной и самой дорогостоящей.

Существуют и другие решения по использованию ОК при организации "последней мили", такие как "волокно в подъезд", "волокно в офис" и др. Их общим обозначением является аббревиатура FTTx, где x буква, отражающая особенность реализации технологии.

На сегодняшний день гибридная волоконно-коаксиальная сеть, сформировавшаяся как технология в рамках систем КТВ, является самым доступным по стоимости вариантом построения мультисервисной СД. По мере удешевления ОК основным вариантом организации проводной системы абонентского доступа может стать реализация сети FTTх.

При многих достоинствах у проводных СД есть ряд существенных недостатков. Это прежде всего высокие трудозатраты на прокладку кабелей и фиксированность местоположения абонентов. Для преодоления выделенных недостатков разработаны технологии беспроводного абонентского доступа.



5. Принципы построения систем беспроводного абонентского доступа

Альтернативой проводных (медных, коаксиальных и волоконно-оптических) методов подключения пользовательского оборудования к коммутационным узлам сетей связи являются системы доступа на основе радио- и атмосферных оптических средств связи, получившие название беспроводных систем абонентского доступа (Wireless Local Loop, WLL). Основные достоинства данного способа организации "последней мили" состоят в возможности развертывания абонентских сетей для мобильных пользователей, а также в местах, где прокладка кабелей невозможна или запрещена [29].



5.1. Организация абонентского радиодоступа

Современные системы абонентского радиодоступа (Radio Local Loop, RLL) способны предоставить пользователю услуги передачи данных, а также доступ в сотовые сети связи. В настоящее время различаются узкополосные и широкополосные (с использованием спектральной модуляции) системы RLL.

Широкополосные системы RLL используют спектральную модуляцию (например Spread-Spectrum), обеспечивая ПД на скоростях до 155 Мбит/с при дальности связи до 4 км. Для работы этих систем требуется прямая видимость между антеннами, находящимися на противоположных концах радиоканала [13, 19].

Узкополосные системы RLL предназначены для обеспечения доступа к ССОП посредством радиоволн в условиях высокой концентрации абонентов, т. е. при большой плотности телефонной нагрузки в радиосотах малого радиуса (диаметром порядка 1 000 м). Поэтому узкополосные технологии RLL называют также технологиями микросотовой связи. Для отдельных абонентов доступ может быть обеспечен и с больших расстояний (до 10 км).

Большинство из узкополосных систем RLL в США базируются на стандартах сотовой связи AMPS, NMT, GSM. Используемые при этом технические решения оптимизированы для покрытия больших территорий и являются наилучшим решением в случае, когда плотность потенциальных абонентов сравнительно невысока.

В Западной Европе и Юго-Восточной Азии большее распространение получили специализированные средства беспроводной телефонии стандартов DECT и СТ-2. Эти стандарты изначально разрабатывались в качестве интерфейсов радиодоступа для случаев ограниченной мобильности, небольших расстояний (до 500 м) и сравнительно высокой плотности пользователей. Общая характеристика стандартов узкополосных систем RLL представлена в таблице 5.1.

Таблица 5.1

Общая характеристика стандартов узкополосных систем RLL

Наименование

Диапазон /

его разбиение

Примечания

СТ-1 (Cordless Telephony – 1)

825–837 МГц /

10 подканалов

Аналоговый стандарт. Частотное разделение (FDMA) пользовательских каналов и направлений передачи. Нет ПД. 40 дуплексных каналов

СТ-1+ (Cordless Telephony – 1+)

825–837 МГц /

10 подканалов

FDMA, 80 дуплексных каналов. Нет ПД

СТ-2 (Cordless Telephony – 2)

864,1–868,1 МГц /

40 подканалов

FDMA пользовательских каналов, временное разделение направлений передачи (TDD), речь в цифровом виде (АДИКМ-32 кбит/с). Динамическое распределение каналов (DCA). Нет ПД. Поддержка ААЗИ

DEСТ (Digital European Cordless Telecommunications)

1880–1900 МГц /

10 подканалов

Доступ с временным разделением каналов (TDMA). В кадре TDMA (10 мс) до 12 дуплексных каналов (TDD) с DCA. АДИКМ-32. ПД. Поддержка ААЗИ

PHS (Personal Handyphone

System)

1895–1918,1 МГц /

40 подканалов ´ 2

TDMA с TDD и DCA. Кадр TDMA размером 10 мс объединяет до 4-х дупл. каналов. АДИКМ-32. ПД. ААЗИ

Руководящими документами Госкомсвязи РФ в качестве основного на территории России выбран стандарт DECT (Digital European Cordless Telecommunications). Он описывает технологию цифрового радиодоступа на расстояния от 5 м до 10 км к услугам сетей электросвязи, включая УЦСИС. Общая схема организации радиодоступа на основе технологии DECT представлена на рисунке 5.1 [8].

Рис. 5.1. Общая схема организации абонентского радиодоступа (на примере DECT)

В структуре сети абонентского доступа DECT можно выделить четыре типа устройств: абонентский радиоблок (АРБ), терминальный абонентский радиоблок (ТАРБ), базовый радиоблок (БРБ) и узловой концентратор DECT.

Абонентский радиоблок выполнен в виде носимой радиотелефонной трубки с жидкокристаллическим индикатором. Он обеспечивает предоставление абоненту услуг телефонии, а в некоторых моделях и передачи данных. Терминальный абонентский радиоблок предназначен для организации радиодоступа абонентским установкам со стационарными телефонными аппаратами и устройствами передачи данных. Базовый радиоблок (базовая станция микросотовой сети) играет роль сетевого окончания и позволяет обслуживать нагрузку от 6–60 АРБ (ТАРБ).

Узловой концентратор (радиомодуль АТС) обеспечивает обработку радиосигналов пользователей и взаимодействие с ССОП через АТС. К каждому узловому концентратору проводами подключается до 16 БРБ. Интерфейс "БРБ–УК" может быть 2- или 4-проводным. Сам узловой концентратор конструктивно представляет собой либо статив, подключаемый к АТС посредством 3- или 4-проводных линий, либо плату внутри АТС, подключаемую непосредственно к системной шине коммутационного узла.

Стандарт базируется на цифровой передаче данных между БРБ и АРБ (ТАРБ) по технологии множественного доступа с временным разделением (TDMA, Time-Division Multiple Access). Полностью дуплексная связь обеспечивается с помощью временного дуплексирования (TDD, Time-Division Duplexing). Диапазон радиочастот DECT, используемых для приема/передачи, составляет 1 880–1 900 МГц. Рабочий диапазон (около 20 МГц) разделен на 10 радиоканалов по 1,728 МГц, являющихся мультичастотными (МС). Обмен информацией производится кадрами. С помощью временного разделения в каждом кадре создаются 24 временных слота, обеспечивающих 12 дуплексных каналов для приема/передачи речи. При установлении соединения используются 2 из 24 временных слота в каждом кадре: один для передачи, другой для приема (рис. 5.2). Таким образом, каналы для передачи речи/данных в DECT образуются за счет использования 10 несущих частот, технологий временного разделения со множественным доступом (TDMA) и временного дуплексирования (TDD).

Рис. 5.2. Канальная структура DECT

Емкость (параметр, учитывающий интенсивность абонентского трафика, ширину используемого частотного диапазона и площадь покрытия, в Эрл/МГц/км2) систем DECT выше, чем у других цифровых систем микро- и макросотовой связи и составляет 500 Эрл/МГц/км2 (этот показатель для систем на базе стандартов GSM и DCS-1800 равен соответственно 10 и 100).

Механизм выбора каналов, применяемый в DECT и известный как непрерывный динамический выбор канала (CDCS, Continuous Dynamic Channel Selection), позволяет соседним беспроводным СД функционировать без мешающего влияния друг на друга.

Каждый из АРБ стандартаDECT в принципе имеет доступ к любому каналу (как к частотному, так и временному). Когда необходимо установить соединение, АРБ выбирает канал, обеспечивающий наиболее качественную связь. После того как соединение установлено данное устройство продолжает анализировать диапазон, и если обнаруживается канал, гарантирующий лучшее качество связи, то переключает соединение на него. Переключение реализуется незаметно для пользователя.

Именно благодаря применению CDCS в системах DECT не требуется планирование частот и их распределение между отдельными СД. Решение проблем электромагнитной совместимости факти-чески перекладывается на АРБ (ТАРБ). Это обстоятельство позволяет увеличивать общее число используемых каналов путем простого добавления, где это необходимо, новых БРБ.

Стандарт DECT предусматривает ряд функций защиты информации, в том числе шифрование радиосигнала и аутентификацию АРБ. Система идентификации АРБ позволяет одному и тому же устройству связи осуществлять доступ к нескольким различным системам DECT (например к домашнему ТАРБ, УАТС организации и ССОП). При подобной организации несколько служб могут совместно использовать одну и ту же инфраструктуру связи, что экономически выгодно.

Обычно СД DECT организуется в рамках системы деловой телефонии. Данные системы являются либо полностью интегрированными беспроводными УАТС, включающими собственную КС, либо добавочными системами, которые могут быть подключены к существующим телефонным станциям, формируя, таким образом, гибридную систему, поддерживающую как кабельные, так и беспроводные соединения (рис. 5.3). В данном случае узловой концентратор DEСТ выполняет функции шлюза мeжду УАТС и беспроводной системой.

Технология DECT обеспечивает владельцу современного АРБ все услуги ССОП, в том числе передачу факсимиле (до 4,8 кбит/с), данных (до 9,6 кбит/с) или речи (32 кбит/с) через канал с АДИКМ-32; передачу факсимиле и данных (до 28,8 кбит/с) по каналу 64 кбит/с, передачу речи без сжатия (64 кбит/с). Перспективные средства радиодоступа DECT, встраиваемые в абонентскую установку, способны поддерживать 2-проводный аналоговый телефонный и 4-проводный цифровой (64 кбит/с) интерфейсы, широкополосную ПД по каналам 2D и 30D в ЦСИС, пакетную ПД со скоростью до 552 кбит/с (от ООД или ПЭВМ).

Рис. 5.3. Организация гибридной (проводной/беспроводной) СД

Развитие систем беспроводного радиодоступа происходит сегодня в направлении повышения их пропускной способности и дальности связи. В этом смысле прогрессивными являются широкополосные системы RLL. Используемая в них технология спектральной модуляции наряду с повышением скорости передачи данных обеспечивает защиту радиоканалов от помех и подслушивания.

Известны два метода реализации спектральной модуляции:

  • "прямой последовательности" (Direct Sequence);
  • "скачущей частоты" (Frequency Hopping).

Системы, реализующие метод "прямой последовательности", кодируют каждый передаваемый бит с помощью последовательности битов, именуемых чипами. Код известен только передающему и приемному АРБ. Передающее устройство передает чипы по всем выделенным ему частотам.

При использовании метода "скачущей частоты" происходит скачкообразная перестройка частоты радиотехнической системы, при этом время ее работы на каждой возможной частоте очень мало: например некоторые устройства "перескакивают" на новую рабочую частоту каждые 100 мс.

Недостатком широкополосных систем RLL является топологическая ограниченность. Такие средства обеспечивают связь только в радионаправлении ("точка–точка"). Однако имеется ряд достоинств, в числе которых невысокая стоимость, высокая дальность связи при скорости ПД ниже 1 Мбит/с. Так, простейшие образцы оборудования широкополосных систем RLL на основе спектральной модуляции обеспечивают ПД 2 Мбит/с на расстояние 800 м и 384 кбит/с на расстояние до 15 км. Разрабатываемые представители средств связи рассматриваемого типа способны передать трафик АТМ на скорости 20, 50 или 155 Мбит/с на расстояние соответственно 5, 3 и 1 км.

По мнению специалистов, дальнейшее развитие средств беспроводного радиодоступа будет осуществляться посредством слияния технологий микро- и макросотовой связи с применением систем с кодовым разделением (например CDMA-2000). Другим направлением развития средств беспроводной связи является внедрение в СД атмосферных оптических (инфракрасных) линий передачи.



5.2. Организация атмосферного оптического (инфракрасного) абонентского доступа

Инфракрасные (атмосферные оптические) системы передачи используют для переноса информации оптический сигнал, распространяющийся через атмосферу [21, 26].

Инфракрасные (атмосферные оптические) системы абонентского доступа предназначены для организации беспроводной передачи данных между пользовательским оборудованием и узлами сетей связи. Эти системы обеспечивают дальность связи до 4 км. К их преимуществам относят большую скорость передачи (до 155 Мбит/с); помехозащищенность (не подвержены влиянию радиопомех), разведзащищенность (для снятия информации необходимо обеспечить энергетический контакт с атмосферным каналом), высокую достоверность (вероятность ошибок от 10–10 до 10–9) и др.

Применение инфракрасных (атмосферных оптических) систем передачи не требует согласования в органах Госсвязьнадзора. Такие средства незаменимы в районах с высокой концентрацией радиосредств, в пожароопасных и агрессивных средах, где невозможна или запрещена прокладка кабелей связи.

Классификация атмосферных оптических систем передачи (АОСП), составляющих техническую основу инфракрасных СД, представлена на рисунке 5.4.

Рис. 5.4. Классификация технологий инфракрасного абонентского доступа

Полукомплекты АОСП выполняются в виде приемо-передающих оптических модулей (ППОМ), включающих лазер, приемопередающую оптическую антенну (объектив), фотодетектор и приемник. Связь в системах инфракрасного абонентского доступа может организовываться как в условиях прямой видимости ППОМ, так и в отсутствие таковой. В первом случае обеспечивается максимальная дальность связи, во втором – возможность обмена данными по конфигурации "точка" – "много точек". Направленные АОСП прямой видимости применяются для организации линий привязки абонентских пунктов к узлам доступа, диффузные АОСП для построения беспроводных абонентских сетей внутри помещений.

Общая схема организации инфракрасного абонентского доступа представлена на рисунке 5.5. Установка ППОМ осуществляется на господствующих высотах (на стенах (крышах) зданий или вышках). При необходимости организуется ретрансляционный пункт, включающий два ППОМ.

Надежность связи в беспроводных инфракрасных системах доступа существенно зависит от состояния атмосферы. Для поддержания требуемых значений коэффициента готовности (Кг = 0,92 – 0,999) в современных ППОМ используется до четырех лазерных систем различной мощности. Переключение осуществляется безобрывно, при этом обеспечивается экономичная связь в различных условиях (ясной погоды, дождя, тумана, снега и т. д.).

При большом удалении терминала от ППОМ могут использоваться оптические окончания (ОО), обеспечивающие преобразование импульсной последовательности из электрического вида в оптический (код CMI) и обратно. В этом случае между ППОМ и ОО используется оптическое волокно.

Современные ОО поддерживают большинство применяемых сетевых интерфейсов (Ethernet, Token Ring, FDDI, ATM).

При необходимости в системе абонентского доступа может использоваться согласующее устройство (СУ), имеющее АЦП и поддерживающее многие протоколы передачи информации и сигнализации (в том числе ЦСИС). В ряде систем беспроводного инфракрасного доступа СУ и/или ОО реализуются в виде плат внутри ППОМ, данные к которому подводятся по кабелю или ОВ.

Рис. 5.5. Общая схема организации инфракрасного абонентского доступа

Для организации функционирования беспроводных ЛВС применяются ненаправленные АОСП. На рисунке 5.6 представлена структурная схема диффузной АОСП на скорости 50 Мбит/с, использующую модуляцию интенсивности и прямое фотодектирование [30].

Передатчик в качестве оптической антенны использует кластер из восьми лазерных диодов, с выхода которых оптический сигнал пропускается через прозрачный пластмассовый диффузор, предназначенный для создания необходимой диаграммы направленности излучения. Диффузор обеспечивает также ограничение мощности оптического сигнала величиной в 475 мВт. Это предел, определяемый нормами по защите глаз персонала для используемой длины волны l = 806 нм. Передатчик направлен вверх к потолку, чем обеспечивается близкое к равномерному рассеяние излучения.

 

Рис. 5.6. Структурная схема диффузной оптической системы

Приемник (кремниевый p-i-n детектор) согласован по длине волны с полусферическим концентратором. Оптический полосовой фильтр, имеющий полосу пропускания в 30 нм со средней частотой 815 нм, подключен к внешней поверхности полусферы.

Остаточная помеха от флуоресцентного освещения удаляется с помощью ВЧ однополюсного фильтра 1,6 МГц, а квантованная обратная связь через НЧ однополюсный фильтр 1,6 МГц используется, чтобы предотвратить блуждание опорной тактовой частоты.

Для уменьшения межсимвольной интерференции, вызванной многолучевым характером распространения сигнала, в приемнике реализуется оптимальное сложение всех взвешенных копий принятого сигнала. При типовой освещенности помещения лампами дневного света данная АОСП обеспечивает горизонтальную дальность связи порядка 6,4 м (при Рош =10–7). Наличие прямого солнечного освещения уменьшает эту дальность до 3,6–4 м.

В этой связи диффузные АОСП называют инфракрасными системами ближнего радиуса действия.

Одним из направлений развития инфракрасной связи является построение пикосотовых сетей доступа (рис. 5.7), когда связь в пределах соты обеспечивается на базе АОСП ближнего радиуса действия, а между базовыми станциями (на рисунке обозначенными серыми кружками) – по радиоканалам или проводам [8].

Рис. 5.7. Структура пикосотовой сети доступа

Данный вариант построения СД перспективен для современных мегаполисов, где затруднены вопросы обеспечения электромагнитной совместимости в больших скоплениях излучающих радиосредств. Оптические сигналы смежных пикосот не оказывают друг на друга мешающего влияния, так как разнесены по длине оптической волны. Кроме того, используемые длины оптической волны могут повторяться в пикосотах, не имеющих общих границ, так как оптическое излучение имеет ограниченную дальность распространения.

Последние зарубежные разработки предлагают применение приемопередатчиков АОСП, встроенных в сотовые и настольные телефоны, пейджеры, часы, цифровые фотоаппараты, автомобили, таксофоны, кассовые аппараты, в индустриальное оборудование, что обеспечит внедрение новых прикладных программ беспроводной связи ближнего радиуса действия.

Из рассмотренного разнообразия различных технологий абонентского доступа можно сделать вывод, что на практике состав СД может оказаться достаточно разнородным. На сегодняшний день в единой местной инфраструктуре возможно применение волоконно-оптических кабелей и средств СЦИ в распределительной сети, коаксиальных и симметричных кабелей с устройствами ПЦИ для организации соединительных линий между АТС (УАТС). В терминальной сети могут применяться мультиплексоры и концентраторы, модемное оборудование различных типов, абонентские линии, образованные на основе витых пар, телефонных кабелей, радиоканалов и трактов АОСП. Разнообразием отличаются и протоколы абонентского доступа, поэтому значительно сложнее стали решаться вопросы стыковки разнородного оборудования в рамках одной местной сети. В сложившейся обстановке возникла объективная необходимость в создании универсальных интерфейсов абонентского доступа.



6. Абонентский доступ на основе интерфейсов семейства V5

Современные средства концентрации абонентской нагрузки должны обеспечивать предоставление услуг, условно подразделяемых на три класса:

  • передача речи (телефонная связь, аудиоинформация, справочные услуги, речевая почта и др.);
  • передача данных (электронная почта, Internet, факсимильные сообщения, электронные платежи и др.);
  • передача видеоинформации (видео по запросу, видеоконференции и др.).

До 90-х годов прошлого столетия для каждого вида услуг в ССОП использовалась своя сеть АЛ, применялись свои направляющие системы:

  • двужильный медный кабель для аналоговых АЛ;
  • кабельная коаксиальная сеть для КТВ;
  • волоконно-оптические линии связи;
  • радиоканалы и тракты АОСП для обеспечения беспроводного абонентского доступа и т. д.

Как правило, внутренние интерфейсы между абонентскими концентраторами (УАТС) и линейными окончаниями ЦАТС не подлежали международной стандартизации. Часто для этих интерфейсов использовались тракты 2 048 кбит/с и собственные "фирменные" протоколы. При этом возникают трудности при дальнейшем наращивании емкости СК посредством установки дополнительного абонентского оборудования различных производителей.

Именно для этих целей и была создана группа универсальных интерфейсов, получивших общее название "V5" (Рекомендации МСЭ-Т I.411). Вариант построения СК с интерфейсами семейства V5 для организации беспроводного абонентского доступа представлен на рисунке 6.1. Рассматриваемая АТС уже оборудована типовыми аналоговыми и цифровыми абонентскими (АК) и канальными (КК) комплектами [6]. Коммутационный модуль АТС включает коммутационные поля информационных и управляющих сигналов, управляющее устройства, средства синхронизации, контроля и диагностики.

Рис. 6.1. Варианты включения оборудования доступа в СК СТфОП

В отличие от типовых АТС рассматриваемая система коммутации снабжена также платами линейных окончаний (ЛО) V5. Реализуемые каждым ЛО протоколы обеспечивают обмен информацией в точке V по правилам, установленным стандартом I.411 МСЭ-Т.

Здесь следует отметить, что до интерфейса V5 комитетами МСЭ уже разрабатывались и утверждались подобные интерфейсы абонентского доступа в точке V:

  • интерфейс V1, предназначенный для подключения к КК АТС пользователей УЦСИС с базовым доступом 160–196 кбит/с (2D);
  • интерфейсы V2, V3, V4, представляющие собой цифровые тракты 2 048 кбит/с, соответствующие рекомендациям G.703, G.704.

В 1995 году МСЭ-Т утвердил рекомендации для V5.1 (доступ без концентрации) и V5.2 (доступ с концентрацией). Национальные спецификации V5 утверждены Госкомсвязи и информатизации РФ в 1997 году. Интерфейс V5.1 позволяет подключить к АТС по цифровому тракту 2 048 кбит/с до 30 аналоговых абонентских линий или В-каналов (64 кбит/с) без концентрации. Сигнализация осуществляется по общему каналу [11].

Интерфейс V5.2 ориентирован на организацию группы до 16 трактов 2 048 кбит/с и поддерживает концентрацию, например, с коэффициентом 8. В каждом тракте может быть предусмотрено несколько каналов сигнализации (2 ВСК, СС 7 и DSS1).

Средства V5 позволяют рассматривать сеть, реализующую ту или иную технологию доступа, как "черный ящик". Между этим "черным ящиком" и АТС расположен интерфейс V5. Для переноса через интерфейс пользовательской, сигнальной и служебной информации используются системы передачи 2 048 кбит/с, которые образуют тракты "V5/2 048 кбит/с". Эти тракты обеспечивают связь между оконечной АТС и пользовательскими портами.

Пользовательские порты, связанные с интерфейсом V5, поддерживают услуги разных типов, причем одни и те же физические порты могут поддерживать разные услуги. Имеется четыре общих типа услуг, которые может поддерживать пользовательский порт, связанный с интерфейсом V5:

  • обслуживание по запросу телефонного вызова;
  • обслуживание по запросу вызова УЦСИС;
  • обслуживание по "закрепленной" линии, реализуемое сетью арендованных линий, фактически независимых от АТС и, следовательно, от интерфейса V5;
  • обслуживание по "полупостоянной" арендованной линии [8].

В последнем случае интерфейс V5 позволяет использовать для организации полупостоянной арендованной линии либо один или два В-канала базового доступа УЦСИС, либо аналоговую или цифровую линию без выделенного канала сигнализации.

Интерфейс V5.1 содержит один тракт 2 048 кбит/с. Интерфейс V5.2 содержит несколько таких трактов (до шестнадцати). В отличие от V5.1 интерфейс V5.2 предусматривает концентрацию нагрузки и динамическое назначение канальных интервалов. Тракты 2 048 кбит/с обоих интерфейсов разделены на 32 канальных интервала (КИ), при этом (как принято в ПЦИ) КИ № 0 используется для цикловой синхронизации [6].

Отдельный интерфейсный модуль V5.1 может поддерживать до 30 телефонных портов или до 15 портов базового доступа УЦСИС. Один интерфейсный модуль V5.2 может поддерживать до двух тысяч телефонных портов или до 1 000 портов базового доступа УЦСИС. В таблице 6.1 сравниваются характеристики рассматриваемых средств абонентского доступа.

Таблица 6.1

Характеристики интерфейсов V5.1 и V5.2

V5.1

V5.2

Позволяет подключать к АТС один тракт Е1 (30 каналов по 64 кбит/с)

Позволяет подключать к АТС группу до 16 трактов 2048 кбит/с

Без функции концентрации нагрузки АЛ. Прямое соответствие между КИ Е1 и терминалами пользователя

Поддержка функции концентрации нагрузки абонентских линий. Динамическое назначение канальных интервалов

Не поддерживает первичный доступ УЦСИС

Поддерживает первичный доступ УЦСИС

Не обеспечивает функции резервирования канала сигнализации при отказе тракта интерфейса

Обеспечивает резервирование канала сигнализации при отказе тракта путем переключения на другой тракт

Управление трактами интерфейса

Сигнализация осуществляется по

общему каналу в тракте интерфейса

Для каждого доступа (2048 кбит/с) предусмотрено несколько каналов сигнализации

Архитектура протокола V5.2 представлена на рисунке 6.2. Выполнение каждого из указанных на схеме протоколов сопровождается передачей данных соответствующего типа:

  • данные в пакетном виде через D-канал (16/64 кбит/с) УЦСИС;
  • сообщения сигнализации через D-канал (16/64 кбит/с) УЦСИС;
  • сообщения сигнализации ТфСОП (2ВСК, СС 7);
  • данные служебного протокола управления V5;
  • данные служебного протокола управления трактами V5;
  • данные служебного протокола назначения несущих каналов V5 (ВСС-протокола);
  • данные служебного протокола защиты.

Ресурс, выделяемый в интерфейсе V5 для передачи данных одного типа, называется С-путем. Группа из одного или нескольких С-путей в интерфейсе V5.2, таких, что каждый из них отличается от остальных С-путей в этой группе типом передаваемых данных, составляет логический С-канал.

 

Рис. 6.2. Архитектура протокола V5.2

Канал 64 кбит/с в тракте интерфейса V5, предназначенный для передачи данных логического С-канала, называется физическим С-каналом. В интерфейсе V5.2 предусмотрена возможность резервирования логических С-каналов, по которым между сетью доступа и оконечной станцией передаются сигнальная информация и данные служебных протоколов. Протокол защиты позволяет интерфейсу V5.2 при отказе одного из физических трактов интерфейса автоматически переключаться на другой тракт при условии, естественно, что этот интерфейс содержит, как правило, два таких тракта.

Резервируемые С-каналы могут иметь группу защиты 1 или 2. Группа защиты 1 обслуживает основной логический С-канал служебных протоколов, используя КИ № 16 как первого, так и второго трактов в интерфейсе V5.2. Для формирования этого логического канала в интерфейсе выделено два физических С-канала. Первоначально основной логический С-канал использует КИ № 16 первого тракта, а протокол защиты выполняет мониторинг КИ № 16 как в первом, так и во втором тракте. Если качество функционирования первого тракта ухудшается, основной логический С-канал переключается на КИ № 16 второго тракта.

Группа защиты 2 отличается от группы защиты 1 тем, что она не предусматривает резервного канального интервала для каждого логического С-канала, а данные протокола защиты соответственно по резервным канальным интервалам не передаются.

Протокол управления трактами в интерфейсе V5.2 позволяет идентифицировать тракты, блокировать и разблокировать их. Блокировка и разблокировка трактов нужны для обеспечения нормального обслуживания потоков нагрузки в интерфейсе и наращивания его пропускной способности по мере роста нагрузки. Сходные функции в отношении блокировки и разблокировки пользовательских портов предусматривает протокол управления, выполняющий также функции контроля и техобслуживания этих портов.

Протокол назначения несущих каналов ВСС (Bearer Channel Connection) работает с КИ интерфейса V5, в которых со скоростью 64 кбит/с передается информация пользователей между портами и АТС. Номера КИ назначаются для пользовательских портов таким образом, чтобы сеть доступа и оконечная станция согласованно использовали конкретные канальные интервалы для конкретных интерфейсов "пользователь – АТС" и "АТС – пользователь".

Здесь следует заметить, что в интерфейсе V5.1 предусматривается статическое, не меняющееся от вызова к вызову назначение несущих КИ. Оно может быть изменено оператором АТС средствами конфигурации станции (служебного протокола управления).

В интерфейсе V5.2 назначение несущих КИ для пользовательских портов – динамическое, производящееся для каждого вызова. Отображение несущих каналов пользовательских портов на несущие канальные интервалы интерфейса V5.2 обеспечивается протоколом ВСС. Динамическое назначение несущих канальных интервалов в интерфейсе V5.2 также обеспечивает концентрацию нагрузки (типовой коэффициент концентрации равен 8, что позволяет одним интерфейсом V5.2, имеющим 16 трактов 2 048 кбит/с, обслуживать сеть доступа, включающую до 4 000 ЦТА).

Так как в интерфейсе V5.2 имеется несколько трактов 2 048 кбит/с, линейному окончанию АТС приходится определять идентификатор (ID-verification) тракта, по которому определять вероятность блокировки соответствующих КИ. Процедуры, реализующие эти функции, выполняются протоколом управления трактами.

Физический тракт 2 048 кбит/с (по медному, коаксиальному или оптическому кабелю, витой паре) интерфейса V5 содержит 32 канальных интервала (64 кбит/с). Служебным протоколам интерфейса V5 первоначально отводится канальный интервал КИ № 16 первого тракта 2 048 кбит/с интерфейса V5. Для интерфейсов V5.1 это единственный тракт (единственным служебным протоколом V5.1 является протокол управления). Для интерфейсов V5.2 канальный интервал 16 первого тракта обслуживает также протокол ВСС и протокол управления трактами. Протоколу защиты V5.2 отводится КИ № 16 как первого, так и второго трактов интерфейса, чтобы обеспечить работу протокола при отказе одного тракта.

Задачи уровня звена данных связаны с организацией надежной передачи сообщений сетевого уровня вне зависимости от типа используемой направляющей системы. Это достигается путем адресации и нумерации сообщений второго уровня (т. е. кадров), вычисления и добавления в конец каждого такого сообщения контрольной комбинации для обнаружения ошибок с последующим запросом повторной передачи, начиная с последнего правильно принятого сообщения, и др.

Спецификации и процедуры протокола LAP V5 базируются на известных протоколах LAP [18] и дополняют его возможностями мультиплексирования информации от различных источников.

Адреса, используемые в интерфейсе V5 на уровнях 2 и 3, выбираются таким образом, чтобы протокол управления мог обращаться к пользовательским портам как УЦСИС, так и СТфОП с помощью адресов уровня 3, идентичных адресам, используемым для управления базовым соединением как на уровне 2, так и на уровне 3.

Сообщения УЦСИС до передачи через V5 уже помещены в информационное поле кадров LAPD. Чтобы эти кадры могли транслироваться через сеть доступа, необходимо снабдить их дополнительной внешней "оболочкой" с ярлыком, указывающим адрес пользовательского порта УЦСИС. Для сообщений управления соединениями УЦСИС адрес в этом ярлыке является адресом порта УЦСИС из общего адресного пространства V5.

Такая же двухуровневая структура адресации кадра применима и для сообщений других протоколов (на рисунке показан случай передачи кадров протокола FR), позволяя тем самым свободно специфицировать в дальнейшем внутреннюю часть структуры кадра для новых протоколов сети доступа.

Таким образом, уровень LAP V5 на два подуровня:

  • подуровень функций обрамления LAP V5-EF (Enveloping Function sublayer)
  • подуровень звена данных LAP V5-DL (Data Link sublayer).

Такая двухслойная структура уровня 2 представляется весьма громоздкой, а для служебных протоколов V5 необходимость в ней отсутствует. Более того, внешний адрес в ярлыке и внутренний адрес в кадре с сообщением служебного протокола дублируют одну и ту же информацию. Но это следует принимать как плату за ранее принятые решения, так как структура кадра для переноса сообщений управления базовыми соединениями УЦСИС была стандартизирована до начала разработки спецификаций V5.

На уровне звена данных V5 осуществляется мультиплексирование (мэппинг) для дальнейшей передачи сообщений средствами LAP V5-DL. От временного мультиплексирования мэппинг отличается тем, что объединению подлежат примитивы переменной длины, коммутируемые побайтно (в последовательности следования КИ), среди которых информационные кадры являются "обрамленными", а служебные – "необрамленными".

На сетевом уровне V5 сети доступа реализуются вышерассмотренные протоколы: СТфОП, УЦСИС, защиты, управления трактами, управления, назначения несущих каналов (ВСС).

В сообщениях, формируемых служебными протоколами, содержится информация об адресе пользовательского порта, станции назначения, услуге и пр. Принципы передачи служебных сообщений между сетью доступа и АТС аналогичны тем, что используются в интересах подсистем пользователей УЦСИС (ISUP) системы сигнализации № 7 [11].

В целом рассмотренная технология позволяет с помощью одной оконечной АТС обеспечить подключение разнородного оборудования доступа с использованием различных направляющих систем.

К сожалению, существующая версия интерфейса V5.2 ориентирована в основном на перенос информации в сети с коммутацией каналов (СТфОП и УЦСИС). В настоящее время разрабатываются универсальные интерфейсы абонентского доступа, способные поддерживать перспективные технологии передачи информации, в том числе сетей с быстрой коммутацией пакетов (АТМ) и коммутацией по временным меткам (MPLS).



7. Особенности построения систем абонентского доступа NGN

Теория конвергенции, разработанная в конце XX века, рассматривает дальнейшее развитие телекоммуникаций на основе консолидированного ресурса СТфОП, сотовых сетей связи и Internet. При этом поступающий на результирующую сеть трафик будет принципиально многомерным и для его обслуживания потребуются не только новые подходы к структурному построению информационной инфраструктуры, но и новые технологические средства и прежде всего системы коммутации нового образца.

В 1996 году в научной литературе появились сведения о системах коммутации пятого поколения и мультимедийном протоколе инициализации сеансов (Session Initiation Protocol, SIP), который, организуя процессы обмена речью, данными, изображениями и т. д. в сетях общего пользования нового образца, показал способность заменить протоколы системы сигнализации № 7. Дальнейшие исследования в этом научном направлении позволили к началу XXI века сформировать концепцию сети связи следующего поколения (Next Generation Network, NGN). Использованием такого глобального названия для своей технологии разработчики NGN пытались подчеркнуть значимость своих исследований для всех телекоммуникаций будущего. Однако в последние годы [31] к аббревиатуре NGN сложилось отношение как к имени собственному, обозначающему только один из многих подходов к построению перспективных сетей электросвязи.

Далее для описания технических решений, оборудования и сети в целом, реализующих принципы NGN, будут использоваться термины "NGN средства (сети)" или "средства (сети) типа NGN".



7.1. Принципы архитектурного построения NGN сетей и их систем абонентского доступа

Одним из основных отличий концепции NGN от реализуемых до этого сетевых инфраструктур является переход к новой функциональной модели, включающей три элемента (рис. 7.1): уровень пакетной транспортной системы, уровень управления коммутацией и уровень управления услугами.

Рис. 7.1. Функциональная модель NGN

В классической СТфОП оборудование АТС решает одновременно несколько задач: коммутацию потоков пользовательской информации, обработку вызовов, предоставление услуг и т. д. Реализация интерфейсов между этими функциями есть внутреннее дело производителя системы коммутации и не подлежит регламентации.

Появление технологий узкополосных ЦСИС, СС 7 и интеллектуальных сетей позволило перейти к раздельной реализации функций коммутации, обработке служебных сообщений и распределения услуг [7, 11]. Как результат появились новые функциональные элементы (транзитные пункты сигнализации, узлы коммутации услуг ИС и т. п.), которые определили дополнительные изменения в структуре телекоммуникаций. Например, топология сети СС 7 не повторяет топологию ССОП, в интересах которой функционирует [11]. Однако задачи управления коммутацией в таких сетях решаются по-прежнему только в точках совпадения топологий ССОП и сети сигнализации № 7 – в системах коммутации.

В NGN оборудовании развивается не только принцип разделения функций транспортировки пакетов, коммутации и управления услугами, но и регламентируются (являются объектами стандартизации) интерфейсы между выделенными уровнями. Получив, таким образом, некоторую независимость друг от друга, аппаратно-программные средства отдельных уровней в дальнейшем могут развиваться самостоятельно.

Другой отличительной чертой архитектуры NGN является ее ориентация на использование широкополосных технологий пакетной коммутации (ATM и/или MPLS). Городские и региональные сети, реализующие концепцию NGN, могут использовать пакетную транспортную систему ATM или MPLS в качестве транспортной сети. Однако это не значит, что транспортная сеть информационной инфраструктуры NGN не может строиться на современных средствах коммутации каналов, например СЦИ. В такой протяженной стране, как Россия, уровень пакетной транспортной системы NGN может формироваться в виде надстройки оптической транспортной сети СЦИ.

В условиях небольшого количества терминальных устройств и малом (менее 600 км) диаметре "сеть следующего поколения" может ограничиться транспортной системой на базе протоколов IP/Ethernet.

Независимо от способа реализации, задачей уровня пакетной транспортной системы является формирование путей передачи информации.

Основными элементами систем абонентского доступаNGN являются:

  • гибкие коммутаторы (SoftSwitch);
  • шлюзы;
  • АТС с модулями транспортных шлюзов и метасигнализации;
  • серверы приложений;
  • терминальное оборудование.

Таким образом, два верхних уровня архитектуры NGN образуются исключительно средствами абонентского доступа.

Задачей уровня управления коммутацией является обработка информации сигнализации, маршрутизация вызовов и управление потоками. В сети используется, как правило, несколько гибких коммутаторов (ГК), взаимодействующих по межузловым протоколам и обеспечивающих совместное управление установлением соединения.

В ходе управления коммутацией оборудование гибкого коммутатора осуществляет сигнальный обмен по физическим (сплошные линии на рисунке 7.1) и логическим (пунктирные линии) каналам с функциональными элементами уровня управления услугами, транспортной пакетной системой и средствами существующих сетей (СТфОП, УЦСИС, ШЦСИС или ИС). В ходе коммутации взаимодействует широкий спектр оборудования: шлюзы, терминальное оборудование (например интегрированные устройства доступа (IAD), терминалы SIP и Н.323), различные ГК, АТС и др.

Для трансляции адресной и другой служебной информации, передаваемой в СТфОП через сеть СС 7, используются сигнальные шлюзы, преобразующие сигнальные единицы посредством протокола адаптации сигнализации MxUA (MTPx Uzer Adaptation Layer) [33] в специализированные служебные сообщения SIP. Некоторые реализации NGN могут использовать саму сеть СС 7 в своих интересах, для чего в ГК должен быть предусмотрен сигнальный модуль [11, 31]. На основании анализа принятой информации и решения о последующей маршрутизации вызова оборудование ГК, осуществляет сигнальный обмен по установлению соединения с вызываемым элементом уровня управления услугами.

Уровень управления услугами реализует функции управления логикой услуг и приложений. Часто он представляет собой распределенную вычислительную среду, обеспечивающую предоставление инфокоммуникационных услуг, их создание и внедрение.

Терминальное оборудование пакетной сети взаимодействует с оборудованием гибкого коммутатора также с использованием протоколов SIP. Пользовательская информация от терминального оборудования поступает на уровень узлов доступа пакетной сети и далее маршрутизируется под управлением гибкого коммутатора.

Основной услугой, предоставляемой в NGN, является передача информации между пользователями сети. Использование пакетных технологий на уровне транспортной сети позволяет обеспечить единые алгоритмы доставки информации для различных видов связи: телефонной, ПД. Для пользователей, использующих терминалы мультимедиа (например Н.323ТЕ), может предоставляться расширенный перечень услуг.

Серверы приложений NGN принимают участие в предоставлении дополнительных коммуникационных и информационных услуг пользователям (подобных ДВО в СТфОП и сервисов ИС [34]). Биллинговая система в NGN включает узлы и протоколы взаиморасчетов, такие как OSP.

Следует отметить, что на сегодня вопрос взаимодействия между ГК и некоторыми серверами приложений все-таки недостаточно проработан на уровне международных стандартов, в связи с чем возможна несовместимость оборудования различных производителей.



7.2. Особенности построения типового оборудования систем абонентского доступа NGN

Гибкий коммутатор является ядром коммутируемой среды NGN. На него возлагается решение задач обработки вызовов, доступа к серверам приложений и оборудованию существующих сетей и пр. Типовой ГК реализует:

  • обработку всех видов сигнализации, используемых в его домене;
  • сохранение и управление абонентскими данными пользователей его домена;
  • взаимодействие с серверами приложений для предоставления расширенного списка услуг пользователям сети.

Устройство ГК должно обеспечивать выполнение следующих основных функций:

  • управления базовым вызовом, приема и обработки сигнальной информации и реализации действий по организации сеанса;
  • аутентификации и авторизации абонентов, подключаемых в пакетную сеть как непосредственно, так и с использованием оборудования существующих сетей;
  • маршрутизации вызовов в NGN;
  • тарификации и сбора статистической информации;
  • управления оборудованием транспортных шлюзов;

Общая функциональная схема типового ГК представлена на рисунке 7.2. С точки зрения теории систем распределения информации ГК можно классифицировать как систему коммутации пакетов со специализированными линейными окончаниями, реализующими парадигму "клиент–сервер" (К–С) и системой сигнализации, ориентированной на использование IP-адресации и предоставление услуг мультимедиа.

 

Рис. 7.2. Общая функциональная схема гибкого коммутатора

ГК ориентирован на обслуживание трафика с высокой долей мультимедиа, поэтому на абонентской стороне используются адаптеры соответствующих протоколов (H.323, SIP). Для взаимодействия с серверами различных типов (файловых, баз данных, RAS, DHCP и пр.) в составе ГК имеются соответствующие универсальные интерфейсы.

Нагрузка, принимаемая от существующих сетей (например от СТфОП по протоколу G.703), адаптируется по информационным блокам и сигнализации к среде NGN. Далее все сообщения в единой форме распределяются блоком коммутации и управления в соответствии с адресацией – к терминалам, пакетной транспортной системе (в рассматриваемом случае реализованной на базе IP/Ethernet) либо серверам приложений. Сетевые интерфейсы H.323 и SIP используются в ГК для организации мультимедиа-конференций и предоставления пользователям расширенного перечня услуг и ДВО.

Контроллер MG (Media Gateway Controller) обеспечивает работу ГК через сигнальные и пограничные шлюзы, обеспечивая коммутационную "прозрачность" составных сетей с фрагментами NGN.

Во всех типовых ГК обязательно закладывается возможность решения задач управления эксплуатацией, в том числе с использованием внешних средств. С внешнего сервера управления могут также решаться вопросы конфигурирования ГК.

Предоставление ДВО может осуществляться ГК самостоятельно либо совместно с сервером приложений. Дополнительно в оборудовании гибкого коммутатора могут быть реализованы функции SP/STP сети СС 7 [11], SSP интеллектуальной сети [34] и пр.

Производительность ГК различна при обслуживании вызовов от различных источников, что объясняется, с одной стороны, резкими перепадами объема и темпа поступления пользовательской и сигнальной информации от разных источников, с другой – различием соответствующих алгоритмов обработки сигнальной информации.

Важную роль в архитектуре NGN играют шлюзы (Gateways), используемые как для доступа к сети (рис. 1.6), так и для сопряжения с существующими информационными инфраструктурами.

Оборудование шлюзов реализует функции по преобразованию:

  • сигнальной информации сетей с коммутацией каналов в сигнальную информацию пакетных сетей;
  • формат пользовательской информации в вид, принятый в пакетной транспортной системы NGN, то есть пакеты IP, ячейки АТМ или кадры MPLS.

В соответствии с выделенными задачами используются различные программные и аппаратные конфигурации шлюзового оборудования [31]:

  • сигнальные шлюзы (Signaling Gateway, SG), используемые только в интересах управления установлением соединений;
  • транспортные шлюзы (Media Gateway, MG), применяемые для сопряжения взаимодействующих сетей по форматам передачи пользовательских данных;
  • транкинговые шлюзы (Trunking Gateway, TGW), обеспечивающие совместное выполнение функций MG и SG;
  • шлюзы доступа (Access Gateway, AGW), играющие роль MG и SG для оборудования доступа, подключаемого через интерфейс V5;
  • резидентные шлюзы доступа (Residential Access Gateway, RAGW), позволяющие подключать к NGN пользователей, использующих терминальное оборудование СТфОП/УЦСИС.

Основными характеристиками шлюзов являются [21, 26]:

  • емкость, определяемая числом обслуживаемых физических/логических каналов, портов, АЛ и пр.;
  • производительность,измеряемая числом сигнальных или информационных примитивов, обработанных устройством в единицу времени;
  • перечень реализуемых протоколов;
  • перечень поддерживаемых интерфейсов.

Конструктивное и функциональное исполнение шлюзов может быть самым разнообразным: от отдельных аппаратно-программных устройств до программных модулей типовых телекоммуникационных средств, например АТС, ГК, маршрутизатор IP и пр.

Из рассмотренного следует, что открытость интерфейсов между уровнями коммутационной среды, являющаяся, по мнению разработчиков, достоинством технологии NGN, привела к необходимости использования в сети дополнительного комплекса ассоциирующий устройств. Таким образом, архитектура NGN является симбиозом двух основных способов построения составных сетей, представленных в главе 1 на рисунках 1.5 и 1.7.

В целом технология NGN представляет собой очередной шаг в эволюции сетей электросвязи. Значимость этого шага для развития телекоммуникаций можно будет оценить только после эксплуатации сетей NGN в течении 5–10 лет.

Сеть абонентского доступа представляет собой постоянно развивающийся организм, аппаратные и программные средства которого ежегодно пополняются новыми "ноу-хау". В сложившихся условиях существенно повышается значение вопросов планирования и проектирования СД в общей проблематике построения информационной инфраструктуры любого масштаба.



8. Основы проектирования сетей и систем абонентского доступа

В настоящее время стоимость оборудования "последней мили" является самой существенной в общей структуре затрат, необходимых для создания современной телекоммуникационной сети. По различным оценкам, затраты на построение СД могут составлять от 30 до 50 % [20]. С увеличением числа распределенных ЦСК с выносными модулями (концентраторами и мультиплексорами) эта величина будет, по всей вероятности, сокращаться, но стоимость сети доступа останется все же достаточно большой. По этой причине особую актуальность приобретают вопросы ее проектирования.

В общем случае под проектированием сетей связи [12] понимается процесс обоснования системно-технических решений по построению (совершенствованию) сетей связи и оформление соответствующей (проектной) документации. Основная цель проектирования – максимизация экономического или другого эффекта от построения (совершенствования) сети.

Проектирование систем абонентского доступа осуществляется в несколько этапов. Блок-схема процесса проектирования СД представлена на рисунке 8.1, где выделены следующие основные этапы:

I. Постановка задачи (выбор критериев планирования ТКС в целом и СД в частности, анализ и систематизация исходных данных).

II. Прогнозирование необходимых для процесса проектирования величин (видов и объемов услуг, номенклатуры оборудования связи и типономиналов каналов передачи).

III. Декомпозиция общей задачи проектирования сети доступа на частные (например по терминальным и распределительной сетям).

IV. Разработка возможных сценариев построения СД.

V. Анализ разработанных сценариев с учетом экономических, технических и иных ограничений; выбор тех сценариев, которые могут быть реализованы.

VI. Решение задач оптимизации существенных параметров СД путем использования соответствующих математических методов.

VII. Интерпретация результатов решения с учетом различных ограничений и составление необходимой проектной документации.

Рис. 8.1. Обобщенная блок-схема процесса проектирования СД

Характер решаемых на каждом конкретном этапе проектирования задач определяется исходными данными и результатами решения задач предшествующего этапа. Так, по итогам этапа II может оказаться, что динамика роста (или падения) рассчитываемого показателя такова, что исходные данные или даже критерии нуждаются в пересмотре. К такому же выводу могут привести результаты выполнения этапа III.

Ниже процесс проектирования СД рассматривается подробнее.

Этап I. Постановка задачи в значительной мере определяется типом СК, для которых разрабатывается информационная инфраструктура. Эта задача может быть сведена к анализу двух вариантов:

1. Организация СД для новой ЦСК (например, при открытии нового учреждения). В этом случае структура абонентской сети может быть спроектирована самым наилучшим (оптимальным) способом.

2. Модернизация существующей СД при замене аналоговой АТС на цифровую, когда структура абонентской сети в значительной степени определяется топологией кабельной канализации и проложенными ранее АЛ.

При проектировании сети доступа новой станции целесообразно выбрать такую структуру абонентской сети и соответственно технические средства ее реализации, которые будут способны поддержать дальнейшее развитие данной местной сети.

Использование существующей абонентской сети, созданной в свое время для аналоговой АТС, может теоретически осуществляться без всяких ее изменений. Однако на практике обычно требуется подключить ряд новых абонентов, находящихся как в зоне обслуживания демонтируемой АТС, так и за ее пределами. В этой связи изменение топологической структуры абонентской сети (для обеспечения требуемых характеристик надежности, живучести, пропускной способности и пр.) может стать неизбежным.

В ССОП в качестве критерия оптимизации, как правило, используется стоимостной показатель (начальная стоимость или приведенные затраты). Для сетей связи специального назначения более важными могут оказаться характеристики живучести и надежности. Вместе с этим одновременно оптимизировать надежность, живучесть, пропускную способность СД и ее стоимость невозможно. Для упрощения задачи проектирования на практике осуществляется переход от многокритериальной задачи оптимизации к однокритериальной: стоимость выбирается в качестве критерия, а остальные показатели выступают в роли ограничений.

Опыт построения местных сетей показывает, что для проектирования СД требуются следующие исходные данные:

  • план-схема существующей абонентской сети;
  • характеристика имеющейся кабельной канализации;
  • типы, возможности и текущее (прогнозируемое) состояние эксплуатируемых кабелей связи;
  • направления дальнейшего расширения СД (размещение новых абонентов, источники новых услуг сервиса, естественные препятствия для прокладки новой кабельной канализации в их направлениях и т. п.);
  • требования к размещению новых терминалов и пропускной способности СК;
  • перечень типов оборудования, необходимых для развития СД.

Он может формироваться либо по чисто техническим соображениям, либо с учетом экономических аспектов. С технической точки зрения ограничение перечня используемого оборудования может диктоваться решениями, принятыми, например на СД соседних коммутационных узлов;

финансовые и иные ограничения, которые не могут быть формализованы, включают группу специфических для каждого проекта факторов. Эти ограничения, в принципе, могут отсутствовать.

Перечисленные задачи, свойственные этапу I, могут широко варьироваться в зависимости от каждого конкретного проекта.

Этап II. Прогнозирование основных характеристик СД позволяет определиться с направлениями и средствами решения следующих пяти частных задач:

1. Способ предоставления сервисных услуг абонентам (интегрированно или на основе специализированных СД).

2. Наличие ЦСИС (достаточность узкополосной или необходимость широкополосной ЦСИС);

3. Состояние взаимодействующих с СД сетей передачи данных.

4. Наличие и состав приоритетных категорий абонентов.

5. Тенденции развития ТКС в данном регионе и их влияние на эволюцию проектируемой СД.

Эти пять задач составляют практически полный перечень тех характеристик доступа, которые необходимо спрогнозировать для принятия оптимальных проектных решений.

Этап III. Формирование таких требований, как пропускная способность первичной сети, наличие двух или более независимых путей передачи информации, допустимое время восстановления отказов и т. п. осуществляется в рамках вторичных сетей. Первичная сеть обеспечивает выполнение требований вторичных сетей связи по транспортированию определенного объема информации между оконечными узлами. С другой стороны, первичные сети имеют свою специфическую структуру (отличную практически от всех структур вторичных сетей), собственные принципы управления своими ресурсами и ряд других оригинальных характеристик. Данные обстоятельства определяют важность исследования первичной сети доступа как самостоятельного объекта.

Сеть абонентского доступа (аналогично всем остальным элементам телекоммуникационной системы) можно рассматривать как совокупность первичной и нескольких вторичных сетей. К первичной сети относятся все элементы линейно-кабельных сооружений, кроссовые коммутационные системы, а к вторичной – терминалы, выносные модули коммутационной станции, АТС, ЛВС и другие средства распределения информации.

Этап IV. На основе одних и тех же исходных данных может быть разработано несколько возможных подходов к созданию или развитию СД. Практический интерес представляет анализ следующих трех из них.

Простейший подход к проектированию сети доступа заключается в оптимизации ее стоимости на ближайшее время функционирования. Этот сценарий практически всегда будет определять минимальные затраты на реализацию сети доступа. Это, в свою очередь, приводит к значительному росту затрат на последующее внедрение перспективных технологий (например АТМ или MPLS).

Второй подход (в связи с последним замечанием) должен предусматривать оптимизацию стоимости сети доступа на этапе введения широкополосных услуг сервиса связи. Этот сценарий в настоящее время практически всегда будет определять максимальные затраты на реализацию СД и может являться неоправданным риском. Хотя, как считают многие эксперты, суммарные (по всем этапам развития сети доступа) затраты должны быть ниже аналогичных затрат для первого сценария.

Последний подход должен быть основан на разумных компромиссах между вариантами, изложенными выше. В данном случае должна быть разработана группа сценариев, уровень проработки которых зависит от имеющихся у проектировщика временных, экономических и иных ресурсов.

Этап V. Анализ возможных сценариев с учетом финансовых, технических и иных ограничений формализовать достаточно сложно, что обусловлено природой факторов, отвергающих тот или иной из предложенных сценариев. Этот процесс подразумевает постановку многокритериальной задачи или группы задач. Кроме того, этот этап целесообразно выполнять во взаимодействии с лицами, принимающими решения по развитию данной местной сети.

Этап VI. Выбор реализуемых сценариев построения (совершенствования) СД осуществляется посредством решения комплекса оптимизационных задач. Главная цель – минимизировать затраты на реализацию сценария, выбранного по результатам предыдущих пяти этапов. К типовым задачам этого этапа следует отнести:

  • оптимизацию мест расположения коммутационного оборудования (станций и концентраторов) и определение целесообразной границы сети доступа;
  • оптимизацию трасс прокладки магистрального и распределительного кабеля;
  • нахождение оптимальных вариантов подключения выносных элементов распределенной телекоммуникационной системы;
  • оптимизацию структуры первичной сети (синтез структуры сети доступа заданной связности с минимальной стоимостью).

Решение поставленных задач начинается с построения математической модели проектируемой СД. Требования к модели противоречивы: с одной стороны, она должна учитывать возможно большее число факторов, от которых зависит результат проектирования, с другой – быть достаточно простой для получения наглядных, желательно аналитических зависимостей между входящими в нее параметрами. Построение математической модели – важнейшая часть всего исследования, так как она определяет его конечный результат.

Этап VII. После решения математических задач необходима соответствующая интерпретация полученных результатов. Использование ручных и особенно автоматизированных методов проектирования сети доступа может привести к неприемлемым для практики результатам. Подобные ситуации возникают либо из-за ошибок в исходных данных, либо на том этапе, когда математические методы (или программное обеспечение) еще не отработаны.

Задачи этого этапа заключаются в поиске и устранении ошибок в исходных данных. Если ошибок не обнаружено, то необходимо найти причины в математических методах, либо в программном обеспечении, автоматизирующем процесс планирования СД.

Таким образом, следование приведенным принципам проектирования сетей доступа способствует обеспечению оптимальности построения сети в конкретных условиях функционирования и реализуемости разрабатываемых проектов. Кроме того, данный подход позволяет широко использовать возможности, предоставляемые новыми информационными технологиями, на основе сложившейся структуры линейно-кабельных сооружений. Изложенные принципы могут служить основой для составления алгоритмов и разработки соответствующего программного обеспечения, автоматизирующего процесс проектирования.



9. Тенденции развития технологий абонентского доступа

На развитие принципов построения сетей электросвязи, являющихся базой для применения современных телекоммуникационных технологий, влияют две группы факторов: внешние и внутренние [5].

К внешним факторам относится прежде всего динамика развития информационных сетей и приложений, обеспечивающих получение, накопление, использование и распространение информации в интересах политической, экономической, социальной и культурной жизни общества. Внутренние факторы это совершенствование элементов сетей электросвязи (коммутационных узлов, систем передачи, направляющих систем, оконечного оборудования) и развитие технологий управления данными элементами и сетями связи в целом.

Основные направления эволюции систем и сетей доступа, по мнению экспертов, обусловлены развитием информационных потребностей пользователей. Как показано в [2], процессы, происходящие в современных СД, коррелированы с тремя направлениями происходящей информатизации общества: Visual, Intelligent and Personal (VI&P) – визуализация, интеллектуализация и персонализация.

Визуализация. Важность данного направления развития СД обусловлена тем, что около 80 % основной информации человек получает визуально. Современному пользователю визуальная информация может доставляться тремя способами.

1. По каналам СТфОП. В данных условиях возможно предоставление услуг нецветной видеотелефонной связи и передачи неподвижных изображений. При этом необходимо обеспечивать выполнение многих ограничений. В таких системах доступа передача изображения реализуется только после соединения по алгоритму, принятому в СТфОП. Независимо от цветности объекта (исходного документа) будет получена только его черно-белая копия.

2. По каналам УЦСИС. Реализация многоскоростной коммутации [2, 7] способствует предоставлению пользователю услуг видеоконференции, цветной видеотелефонной связи, файлов мультимедиа (видео, видео & аудио), передачи цветных факсимильных изображений с высоким разрешением.

3. По каналам ШЦСИС (на основе АТМ или MPLS). Данный технологический уровень обеспечит пользователю доступ к базам видеоданных, содержащих мультимедийную информацию с качеством, аналогичным стандарту High Definition Tele-Vision (HDTV) и обеспечивающих передачу телевизионных сигналов с высокой разрешающей способностью [31–33].

Интеллектуализация. В этом плане к СД выдвигаются следующие требования:

  • упрощение доступа к услугам электросвязи;
  • помощь в принятии решения по управлению ресурсами сети;
  • преодоление языкового барьера;
  • облегчение условий труда пользователей и обслуживающего персонала телекоммуникационной системы.

Как показано в [2, 32, 34], начало реализации концепции Интеллектуальной сети может быть осуществлено на любом этапе развития сети электросвязи. Однако для ее реальной реализации необходимо обязательное наличие программного управления СК и системы общеканальной сигнализации.

Персонализация связи сегодня ассоциируется с разработанной МСЭ концепцией "Универсальная персональная связь" (Universal Personal Telecommunication, UРТ). Сущность этой концепции заключается в том, что сети электросвязи ХХI века должны учитывать индивидуальные запросы пользователей, а не предлагать усредненные услуги и показатели качества обслуживания вызовов и передачи информации. Идеальной при этом считается ситуация, при которой возникающие ограничения по обслуживанию абонента обусловливаются только возможностями используемого им терминала.

Универсальная персональная связь (УПС) обеспечивает предоставление любых запрашиваемых услуг с требуемым пользователю качеством путем набора персонального номера. Связь может устанавливаться через несколько сетей (в том числе для стационарных и подвижных пользователей) и не зависит от географического положения вызывающего и вызываемого терминалов.

Важное значение для понимания данной технологии имеет основная терминология, используемая в УПС [5].

  • мобильность терминала (terminal mobility) – способность терминала обеспечивать доступ к услугам электросвязи при его различном положении (в т. ч. в движении) и возможность сети идентифицировать и подключить такой терминал;
  • персональная мобильность (personal mobility) – возможность для пользователя получить доступ к услугам связи на основе персонального идентификатора и возможности сети обеспечивать услуги, соответствующие данной категории пользователя;
  • абонент УПС (UPT customer, UPT subscribe) – человек (технические средства), который получает услуги УПС от имени одного или нескольких пользователей УПС и является ответственным перед соответствующей эксплуатационной организацией администрации сети;
  • пользователь УПС (UPT user) – человек (техническое средство), который имеет доступ к услугам УПС и соответствующий номер УПС;
  • номер УПС (UPT number) – номер, который однозначно идентифицирует пользователя УПС и применяется для соединения с данным абонентом;
  • категория услуг УПС (UPT service profile) – данные, содержащие всю информацию, связанную с пользователем УПС, для того чтобы обеспечить этому пользователю услуги УПС;
  • административное управление вызовом (call management) – возможность для пользователя информировать сеть о том, как обрабатывать входящие вызовы в зависимости от их параметров: номера вызывающего абонента, времени суток, вида вызова и т. п.

Для сетей связи с УПС характерно сочетание двух принципов ассоциации абонента:

  • как точки подключения оконечного терминала;
  • как терминала, соответствующего определенной сети связи с подвижным объектом.

Из этого следует, что в УПС соотнесение абонента и его номера будет наиболее правильным. Основными принципами УПС являются следующие [5]:

  • персональная мобильность, позволяющая пользователю перемещаться между терминалами, устанавливать исходящие и входящие соединения, предусмотренные категорией услуг;
  • начисление оплаты и составление счетов на основе идентификации пользователя УПС, а не терминала и абонентской линии;
  • стандартизованный доступ и процедуры идентификации для предоставления услуг УПС на одних и тех же принципах через произвольное множество сетей связи;
  • управление со стороны пользователей и абонентов УПС, широкие возможности выбора видов обслуживания на основе персонифицированной категории услуг УПС;
  • сохранение конфиденциальности передаваемой информации, включая введение системы паролей и защиту от подключения к диалогу третьего пользователя.

По оценке МСЭ, внедрение услуг УПС – достаточно длительный процесс, обусловленный техническими и социальными проблемами.

В настоящее время имеются рекомендации только по факультативным видам обслуживания: передача вызова от одного пользователя УПС к другому, передача вызова при занятости или отсутствии вызываемого пользователя, индикация о появлении важных (для вызываемого) пользователя вызовах и т. п. Очевидно, что весь перечень услуг электросвязи, в том числе связанных с развитием Интеллектуальных сетей, будет предоставляться пользователям УПС.

Таким образом, по мнению специалистов МСЭ, сети доступа ближайшего будущего должны отвечать требованиям VI&P и реализовать концепцию УПС.

Здесь следует отметить, что к настоящему времени разработаны и другие подходы в развитии сетей и систем доступа, близкие по идее УПС и отличающиеся лишь некоторыми акцентами. Рассмотрим для примера некоторые из них.

Автор концепции "Global Village" [5] канадский академик Marshall McLuhan считает, что самое главное –  обеспечить оперативное предоставление мультимедиа-услуг в любую точку земного шара. Для реализации этой концепции необходима производительная глобальная транспортная система и волоконно-оптические распределительные сети (например, по типу "волокно в дом" – FTTH).

Важной особенностью данной концепции является классификация пользователей по четырем признакам:

  • пользователи квартирного сектора (традиционные потребители стандартных услуг телефонных и интеллектуальных сетей, УЦСИС и как исключение ШЦСИС);
  • пользователи делового сектора – потребители услуг УЦСИС, интеллектуальной сети и радиоперсональной связи;
  • пользователи делового сектора – клиенты коммерческих сетей с самым высоким уровнем телекоммуникационного сервиса (включая ШЦСИС);
  • пользователи, работающие в домашних условиях с широким спектром услуг и высокими требованиями к качеству обслуживания (потребляющие все указанные выше услуги).

Это означает, что по мере развития сетей электросвязи будет наблюдаться существенная дифференциация требований пользователей к качеству предоставляемых телекоммуникационных услуг.

Требуют более широкого внедрения оптических кабелей в СД и разработчики концепции TPON (Telephony over a Passive Optical Network). По их мнению, номенклатура цифровых каналов и трактов, обеспечиваемая на оптической пользовательской сети, достаточно широка. При прокладке ОК в каждую квартиру реализуемыми становятся все существующие услуги связи. Коммутационные системы при этом модифицируются по мере возникновения у пользователей соответствующих информационных потребностей.

Концепция BPON (Broadband over a Passive Optical Network) предусматривает предоставление всем пользователям сразу широкополосных услуг. Это решение является самым дорогостоящим, так как наряду с ОК предлагается одновременно и повсеместно установить СК ШЦСИС.

Существуют и другие подходы к построению СД. Как показано в разделе 7, реализация той или иной концепции должна быть обоснованной. Национальные телекоммуникации развиваются очень неравномерно. В одних странах операторы связи уже готовы к предоставлению услуг УПС, в других – еще не окончилась цифровизация телекоммуникаций общего пользования. Для одних уже сложилась потребность в услугах ШЦСИС, для других достаточно телефонии.

Список литературы

1. Емельянов Ю. А., Крупнов А. Е., Мамзелев И. А. Сертификация оборудования и услуг связи / Под ред. В. Б. Булгака. – М.: Радио и связь, 1999.

2. Лихачев А. М., Курносов В. И. Тенденции технического и технологического развития телекоммуникационных сетей. – СПб.: Абрис, 1997.

3. Шмалько А. В. Цифровые сети связи: основы планирования и построения. – М.: Эко-Трендз, 2001. – 284 с.

4. Глобальная информационная инфраструктура. Обзор БНТИ.– СПБ.: ВУС, 2000.

5. Кох Р., Яновский Г. Г. Эволюция и конвергенция в электросвязи. – М.: Радио и связь, 2001.

6. Гольдштейн Б. С. Протоколы сети доступа. Том 2. – М.: Радио и связь, 2001.

7. Иванов В. Н., Саитов И. А., Макашенко А. И., Миронов А. Е. Основы построения узкополосных ЦСИС. – Орел: Академия ФАПСИ, 2003.

8. Кульгин М. А. Технологии корпоративных сетей. Энциклопедия. – СПб.: Питер, 2000.

9. Федеральный закон "О связи". Введен в действие с 1 января 2004 года.

10. Ломовицкий В. В., Михайлов А. И., Щекотихин В. М. и др. Основы построения систем и сетей передачи информации. – М: Горячая линия–телеком, 2004.

11. Миронов А. Е., Саитов И. А. Планирование и построение систем сигнализации цифровых сетей связи: Пособие по курсовому и дипломному проектированию. – Орел: Академия Спецсвязи России, 2004.

12. Слепов Н. Н. Синхронные цифровые сети SDH. – М.: Эко-Трендз, 1998.

13. Телекоммуникационные системы и сети: Учебное пособие. Том 1. Современные технологии / Под ред. Профессора В. П. Шувалова. – М.: Горячая линия, 2004.

14. Руководящий документ. Основные положения развития Взаимоувязанной сети связи РФ на перспективу до 2005 года. – М.: НТУОТ Минсвязи России, 1996.

15. Правила технической эксплуатации первичных сетей Взаимоувязанной сети связи Российской Федерации. Книга первая. Основные принципы построения и организации технической эксплуатации. – М.: Госкомсвязи России, 1998. – 151 с.

16. Руководящий технический материал по применению систем и аппаратуры синхронной цифровой иерархии на сети связи Российской Федерации. Первая редакция. – М.: ЦНИИС, 1994.

17. Норенков И. П., Трудоношин В. А. Телекоммуникационные технологии и сети. – М.: МГТУ им. Баумана, 2000.

18. Ершов В. А., Кузнецов Н. А. Мультисервисные телекоммуникационные сети. – М.: МГТУ им. Баумана, 2003.

19. Соколов Н. А. Сети абонентского доступа. Принципы построения. – Пермь: Уралсвязьинформ, 2000.

20. Руководящий документ. Приказ № 197 Минсвязи от 21 марта 1998 года.

21. Уайндер С. Справочник  по  технологиям  и  средствам  связи / Пер. с англ. – М.: Мир, 2000.

22. Лагутенко О. И. Современные модемы. – М.: Эко-Трендз, 2002.

23. Халсал Ф. Передача данных, сети компьютеров и взаимосвязь открытых систем. – М.: Радио и связь, 1995.

24. Мирошников Д. М. Технология xDSL // Сети. – 1998. – № 1.

25. Мультиплексоры первичные / Техническое описание. – СПб.: ОАО "Супертел", 2003.

26. Иванова Т. И. Корпоративные сети связи. – М.: Эко-Трендз, 2000.

27. Мирошников Д. Е., Постников А. В. Современное оборудование доступа к телекоммуникационным сетям // Сети. – 1997. – № 5.

28.  Ганьжа Д. Сеть кабельного телевидения как среда для высокоскоростного доступа в Internet. – LAN / Журнал сетевых решений, 2000. – № 5.

29. Гольдштейн Б. С. Системы коммутации. – СПб.: БХВ, 2003.

30. Kahn J. M., Barry R., Wireless Infrared Communications, Proc. IEEE Int. Conf. on Commun, v. 85, № 2, 1998.

31. Семенов Ю. В. Проектирование сетей связи следующего поколения. – СПб.: Наука и техника, 2005.

32. Гольдштейн А. Б., Гольдштейн Б. С. Технология и протоколы MPLS. – СПб.: БХВ, 2005.

33.  Буассо. М. Введение в технологию АТМ. – М.: Радио и связь, 1997.

34. Лихтциндер Б. Я. и др. Интеллектуальные сети связи. – М.: Эко-Трендз, 2000.





Добавить страницу в закладки ->
© Банк лекций Siblec.ru
Электронная техника, радиотехника и связь. Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные и гуманитарные науки.

Новосибирск, Екатеринбург, Москва, Санкт-Петербург, Нижний Новгород, Ростов-на-Дону, Чебоксары.

E-mail: formyneeds@yandex.ru