3.6.1. Особенности эволюции СТС
3.6.2. Сценарии цифровизации СТС
3.6.2.2. Стратегия замещения аналоговых АТС
3.6.2.3. Построение "наложенной" сети
3.6.1. Особенности эволюции СТС
Если эволюция ГТС связана, в основном, с внедрением цифрового коммутационного оборудования, то пути дальнейшего развития СТС не могут быть сформулированы столь однозначно. Такое утверждение основано на следующих предпосылках:
- ГТС одинаковой структуры имеют много общих черт и их характеристики различаются незначительно;
- СТС одинаковой структуры и, даже, емкости могут по остальным характеристикам существенно отличаться друг от друга, что обусловлено экономическими, географическими, климатическими и другими особенностями регионов России;
- начавшиеся существенные качественные изменения в организации сельскохозяйственного производства заметно изменят величину трафика и характер распределения информационных потоков, что, в свою очередь, стимулирует ревизию основных принципов построения СТС;
- заметный прогресс в радиотехнических и спутниковых системах связи стимулирует – в отличие от сетей городской электросвязи – широкое использование соответствующих технических средств при модернизации СТС.
Принципы эволюции сельской связи, с учетом изложенного, подразумевают не только внедрение цифровых коммутационных станций, но и рациональное использование других принципов поддержки современных услуг электросвязи для абонентов, находящихся в сельской местности. К упомянутым принципам относятся, в первую очередь, варианты развития сельской связи, основанные на применении радиотелефонных систем с множественным (многостанционным) доступом и ССС.
Системы с множественным доступом можно разделить на три большие группы [66]: с частотным (МДЧР), временным (МДВР) и кодовым разделением каналов (МДКР). Интенсивное применение этих систем в сельской местности [67] обусловлено двумя очевидными факторами:
- прогресс в области подобных радиотехнических систем сделал их конкурентоспособными с проводными средствами связи;
- существуют определенные сельские регионы, в которых применение радиотелефонных систем может считаться единственно возможным способом организации связи.
Аналогичная ситуация сложилась и в части применения ССС, для которых, при определенных условиях, справедливы два упомянутых выше фактора. Перспективность ССС заключается также и в том, что Россия имеет значительный опыт в выводе искусственных спутников земли и соответствующие технические средства. Создание инфраструктуры космической связи требует значительных инвестиций, которые, частично, были сделаны ранее. Это позволяет снизить суммарные затраты на ССС, что – в совокупности с рядом привлекательных особенностей данного вида направляющей системы – позволяет прогнозировать значительное проникновение ССС в сельскую связь.
Перспективные варианты эволюции каждой конкретной СТС могут ориентироваться на одно, два и, даже, все три изложенные ниже сценария.
3.6.2. Сценарии цифровизации СТС
3.6.2.1. Общий подход
Многообразие экономических, географических, климатических и других факторов, влияющих на основные принципы дальнейшего развития СТС не позволяют надеяться на разработку единого сценария внедрения цифровых коммутационных станций.
С другой стороны, при выборе принципов эволюции СТС необходимо максимально использовать опыт цифровизации ГТС. Основные моменты, существенные для СТС, должны, вероятно, заключаться в реализации принципа внедрения цифровых коммутационных станций методом «наложенной» сети и унификации системы сигнализации, используемой в «наложенной» сельской сети, с системой сигнализации, принятой для ГТС.
Преобразование аналоговой СТС в цифровую телефонную сеть может, в принципе, осуществляться на основе четырех стратегий:
- постепенное замещение (по мере морального или физического износа) аналоговых АТС цифровыми коммутационными станциями;
- создание «наложенной» сети по сценарию, близкому к изложенному выше для ГТС;
- замена всех аналоговых АТС одновременно (по методу «бульдозера»);
- постепенная интеграция СТС с ГТС райцентра, приводящая к построению единой сети.
Анализу этих стратегий посвящены следующие четыре параграфа раздела 3.6.2. Для всех анализируемых стратегий целесообразно придерживаться рациональных принципов развития СТС [68], заключающихся в отказе от использования УС, концентрации в пределах ряда соседних СТС коммутационного оборудования одного типа и т.п.
3.6.2.2. Стратегия замещения аналоговых АТС
Характерной особенностью рассматриваемой стратегии может считаться тот факт, что первой цифровой АТС на СТС становится ОС. В противном случае данный вариант относится ко второй стратегии – созданию «наложенной» сети. Цифровую ОС – на рисунке 3.17, который иллюстрирует излагаемую стратегию цифровизации СТС, ей присвоен индекс «1» – необходимо связать с существующей ЦС стандартным ИКМ-трактом.
Существующая ЦС, будучи электромеханической АТС, не поддерживает систему общеканальной сигнализации. По этой причине цифровая ОС должна (по крайней мере до замены ЦС) использовать систему сигнализации, принятую в настоящее время на СТС. Дополнительные услуги, свойственные коммутационным станциям с программным управлениям, могут быть предоставлены только в пределах зоны обслуживания цифровой ОС. Система централизованной технической эксплуатации также не будет эффективно функционировать до момента внедрения цифровой ЦС. Большие сложности возникают и при решении задачи синхронизации цифровых ОС.
По мере необходимости другие ОС (например, с индексом «2» на рисунке 3.17) будут заменять старые АТС. Если заменяемые ОС (с индексами «3», «4» и «5» на рисунке 2) ранее включались в УС, то при цифровизации СТС целесообразно их соединять с ЦС непосредственно.
Практически единственным достоинством такого направления цифровизации СТС может считаться минимизация первоначальных капитальных затрат, которые необходимо сделать при вводе первой цифровой АТС. Возможно, что такие принципы внедрения цифровых коммутационных станций используются на сельских сетях в каких-либо странах или их отдельных регионах. Автору не встречались зарубежные публикации, в которых бы излагались примеры практической реализации стратегии замещения аналоговых АТС цифровыми на местных телефонных сетях. Обсуждения, проведенные с рядом зарубежных коллег, занимающихся проблемами цифровизации местных телефонных сетей, также не позволяют считать стратегию замещения аналоговых АТС цифровыми практическим направлением эволюции СТС.
3.6.2.3. Построение «наложенной» сети
Вторая из анализируемых стратегий цифровизации СТС основана на создании «наложенной» сети. В этом случае первой из заменяемых сельских АТС становится ЦС. Все вводимые после замены ЦС цифровые концентраторы или мультиплексоры (новые или заменяющие эксплуатируемые электромеханические АТС) соединяются с ЦС стандартными ИКМ-трактами. Постепенно, заменяя все электромеханические АТС, формируется цифровая СТС, принадлежащая к сетям типа ИЦС, в которой объединены (интегрированы) системы передачи и коммутации на базе цифровой техники.
В рамках «наложенной» сети может, при необходимости, использоваться система общеканальной сигнализации. Цифровая ЦС осуществляет синхронизацию «наложенной» сети. Она же обеспечивает и функции системы технической эксплуатации СТС. Дополнительные услуги, поддерживаемые применяемым типом коммутационного оборудования, могут быть предоставлены всем абонентам «наложенной» сети.
Одна из основных проблем данной стратегии цифровизации СТС заключается в выборе оптимальных принципов сопряжения новой ЦС с электромеханическими сельскими АТС. Можно выделить два основных варианта такого сопряжения, определяемых, в основном, целесообразностью и возможностью демонтажа старой ЦС электромеханического типа.
Основная идея первого варианта показана на рисунке 3.18. В помещении демонтированной ЦС находится СУ, в котором расположено оборудование систем передачи. Часть площади бывшей ЦС будет занято блоком сопряжения (БС), который выполняет следующие функции:
- преобразование 4-х проводных окончаний каналов аналоговых и нестандартных цифровых систем передачи в регламентированные МСЭ цифровые тракты 2048 кбит/с, число которых определяется величиной поступающей нагрузки;
- преобразование 2-х проводных физических СЛ от близлежащих ОС в стандартный цифровой тракт 2048 кбит/с и, по возможности, обеспечение нормы затухания;
- согласование систем сигнализации, принятых на существующих ОС и УС данной СТС, с системой сигнализации цифровой ЦС, используя два сигнальных канала в 16-ом канальном интервале;
- контроль и диагностика оборудования СУ.
Оборудование БС (если, разумеется, подобная стратегия будет принята) подлежит разработке. Создание БС решит и основную задачу адаптации импортных коммутационных станций – согласование систем сигнализации и, тем самым, снизит стоимость закупаемого оборудования.
Если ОС соединялась с бывшей ЦС стандартным ИКМ-трактом (ОС1 на рисунке 3.18), то она переключается в новую цифровую ЦС. Все вновь вводимые концентраторы или мультиплексоры, в том числе заменяемые старые (ОС5 на рисунке 3.18), включаются в ЦС стандартными ИКМ-трактами. Остальные ОС и УС данной СТС связаны с ЦС через БС.
Основная идея второго варианта представлена на рисунке 3.19. Бывшая ЦС приобретает статус УС, в которую включаются все ОС, за исключением станций любого типа с пучками СЛ, образованными стандартными системами ИКМ. Все вновь вводимые концентраторы и мультиплексоры (или заменяющие старые станции) включаются по стандартным цифровым трактам 2048 кбит/с прямо в новую ЦС.
Другие УС должны демонтироваться. Коммутационное оборудование, установленное на УС, выполняет, как правило, функции УС и ОС. Под демонтажем в данном случае понимается устранение функций УС; ОС может продолжать функционировать, если не требуется ее замена по причине физического износа. На месте УС, независимо от судьбы размещенной вместе с ней ОС, должен быть организован СУ (без БС), в котором создаются прямые пучки СЛ на участках ОС ликвидируемого узлового района – УС (бывшая ЦС). В этом случае также создается «наложенная» сеть, но применение оборудования типа БС исключается.
Выбор одного из этих вариантов сопряжения «наложенной» и существующей сетей или их комбинации будет, вероятно, определяться спецификой каждой конкретной СТС.
Принцип цифровизации СТС, заключающийся в постепенном расширении (эволюции) «наложенной» сети представляется более эффективным, чем простая замена электромеханических сельских АТС цифровыми коммутационными станциями.
3.6.2.4. Одновременная замена аналоговых АТС
Третья стратегия цифровизации СТС может рассматриваться как предельный случай создания «наложенной» сети, когда переходный этап от существующей сети к цифровой отсутствует. Такой подход в англоязычной литературе получил название «стратегия бульдозера».
Интерес к рассматриваемой стратегии цифровизации СТС может быть объяснен рядом достаточно частных примеров, когда выполняется хотя бы одно из следующих условий:
- необходимость интенсивного развития связи в сельских административных районах, в которых СТС развита очень слабо и насчитывает, например, до пяти ОС, которые целесообразно заменить;
- цифровизация СТС с малым числом ОС, замена которых требует больших затрат на БС, если он должен поддерживать несколько различных интерфейсов;
- очень низкое качество функционирования всего оборудования СТС, что может иметь место в результате последствий каких-либо природных явлений и т.п.
Практическая возможность реализации «стратегия бульдозера» заключается в обеспечении услуг связи всем или только ряду абонентов другими техническими средствами на период монтажа цифрового коммутационного оборудования. В качестве таких средств могут использоваться перевозимые АТС и, конечно, радиотелефонные системы с множественным доступом [67]. Такие особенности систем с множественным доступом как быстрый ввод в эксплуатацию, отсутствие необходимости в кабельных линиях, простота эксплуатации и т.п. позволяют достаточно серьезно рассматривать возможность практического применения «стратегии бульдозера», хотя данное решение не может в общем случае конкурировать с идеей «наложенной сети».
3.6.2.5. Интеграция с ГТС райцентра
Изложенный ниже подход к цифровизации СТС может рассматриваться как своеобразный компромисс между созданием «наложенной» сети и «стратегией бульдозера». Разработка данного варианта – в качестве дополнения к сформулированным в [69] стратегиям – была стимулирована поиском варианта, связанного с применением импортных цифровых АТС, адаптированных для отечественных ГТС, на СТС.
Косвенный анализ структуры очередей на установку телефонов в ряде регионов России показывает, что значительная доля соответствующих заявок подана жителями райцентров. Это позволяет сделать вывод о необходимости расширения ГТС райцентра при цифровизации соответствующей СТС. Рассматриваемый класс сетей (СТС в совокупности с ГТС райцентра) иногда называют комбинированными сетями [68].
Первая цифровая коммутационная станция может, следовательно, устанавливаться как РАТС на ГТС районного центра. Принципы ее включения зависят от структуры ГТС райцентра и изложены, соответственно, в разделе 3.5. Существенным для данной стратегии моментом может считаться структура связи новой цифровой РАТС с коммутационными станциями СТС. Поэтому анализируемая стратегия рассматривается ниже применительно к ГТС райцентра, которая (до внедрения цифровой РАТС) состояла из ЦС и двух аналоговых РАТС.
Цифровизация СТС и ГТС райцентра начинается с установки коммутационной станции в районном центре с переключением в нее (полностью или частично) АЛ, включенных ранее в ЦС, как показано на рисунке 3.20. Далее, без потери общности, рассматривается случай полного переключения АЛ в цифровую РАТС. ЦС, таким образом, переходит в ранг УСП.
Замена аналоговых ОС (станции с номерами 1, 2 и 3 на рисунке 3.20) осуществляется за счет установки концентраторов или мультиплексоров (они на рисунке 3.21 имеют номера 1, 2 и 3), которые включаются в цифровую РАТС. Абоненты демонтированных ОС становятся абонентами ГТС райцентра.
Замена ОС, включенных в УС (станции с номерами 4, 5 и 6 на рисунке 3.21), сопряжена с ликвидацией УС, аспекты которой были изложены выше. По мере замены этих ОС на концентраторы или мультиплексоры вся СТС становится цифровой. С другой стороны эта СТС интегрирована с ГТС райцентра, так как абоненты, находящиеся в сельской местности, фактически включены в ГТС райцентра.
В процессе перехода к полностью цифровым СТС и ГТС райцентра необходимо переключить пучки ЗСЛ и СЛМ с аналогового УСП на цифровую РАТС. Этот этап связан либо с заменой УСП на цифровой транзитный узел, либо с передачей его функций упомянутой цифровой РАТС. В последнем случае цифровая РАТС должна не только иметь необходимую пропускную способность, но и поддерживать необходимые интерфейсы с АМТС зоны по цифровым или аналоговым системам передачи, используемым на внутризоновой сети.
Окончательная фаза цифровизации рассматриваемой модели СТС приведена на рисунке 3.22 в предположении, что на ГТС райцентра обе аналоговые РАТС заменены двумя цифровыми коммутационными станциями.
3.6.3. Применение радиотелефонных систем
Одним из важных аспектов развития системы сельской связи может считаться более широкое применение различных радиосредств. С точки зрения сети связи радиосредства целесообразно классифицировать по месту их применения:
- межстанционная сеть, когда СЛ между АТС, между АТС и концентраторами и т.д. организованы с помощью РРЛ;
- абонентская сеть, когда АЛ, включаемые в ОС, концентратор или мультиплексор, создаются с помощью радиоудлинителей;
- системы множественного доступа, позволяющие (практически вне зависимости от структуры существующей СТС) подключить группу из N стационарных абонентов по M радиоканалам (N >> M) к одной из АТС СТС (как правило, к ЦС);
- системы множественного доступа, применяемые совместно с концентраторами и, соответственно, с проводными средствами связи;
- сотовая сеть, предназначенная, в основном, для организации связи с подвижными объектами и построенная по международным стандартам типа NMT, GSM и т.п. [67].
В данном разделе – соответственно структуре монографии – будут кратко изложены аспекты использования систем множественного на СТС.
Использование систем множественного доступа позволяет решить следующие задачи развития СТС:
- обеспечить предоставление услуг электросвязи большой группе абонентов, для которых проводные средства связи не являются (по любой причине) доступными;
- оперативно организовывать временное обслуживание большой группы абонентов при самых различных ситуациях (начиная от стихийных бедствий до плановых сельскохозяйственных сезонных работ и реконструкции действующих сельских АТС);
- создавать при необходимости увеличения надежности связи (постоянно или временно) сеть, дополняющую существующие проводные средства СТС.
Пример использования системы множественного доступа показан на рисунке 3.23 как вариант подключения абонентов, расположенных на всей территории сельского административного района, непосредственно к ЦС.
Телефонные аппараты или другие терминалы, использующие систему множественного доступа, подключаются к абонентской станции (Subscriber Station). Функции абонентской станции заключаются, в основном, в соединении терминала со свободным радиоканалом. Абонентская станция выполняет также необходимые функции технического обслуживания подключенных к ней терминалов и собственных аппаратно-программных средств. Число терминалов, подключаемых к абонентской станции, может колебаться от единицы до нескольких десятков. Поэтому в состав абонентской станции иногда входят средства концентрации нагрузки.
Абонентская станция соединяется с базовой станцией (Central Station) непосредственно или через промежуточную станцию (Repeater Station). Вариант связи абонентской и базовой станций зависит от расстояния между ними и возможностей радиотехнического оборудования. Для системы Rurtel [70] перекрываемое расстояние между абонентской и базовой или промежуточной станциями составляет в среднем 30 км, а между промежуточной и базовой станциями – 50 км.
Базовая станция соединяется с ЦС, через которую абонентам системы множественного доступа обеспечивается выход на ТФОП. Число абонентов, обслуживаемых одной системой множественного доступа, зависит от интенсивности нагрузки, числа радиоканалов и принятых показателей качества обслуживания вызовов. Первые системы с МДВР, имевшие от 10 до 15 радиоканалов, обслуживали, как правило, группы из 80, 94 или 128 абонентов [71]. Для упомянутой системы Rurtel один цифровой тракт 2048 кбит/с каналов (a точнее – 28 каналов, доступных в системах с МДВР) обычно обслуживает 320 абонентов. Некоторые современные системы с МДВР, располагающие 60 каналами, обслуживают порядка 1000 абонентов.
Нормируемая вероятность потери вызова в системах с множественным доступом находится в пределах от 0.002 до 0,01 [71]. Такой достаточно широкий для нормируемых показателей качества обслуживания диапазон объясняется несколькими соображениями, из которых наиболее существенны стоимость оборудования и место его использования на ТФОП.
Ранее стоимость подключения одного абонента к ТФОП по радиоканалу составляла от 10 до 30 тысяч долларов [72]. Различными – техническими и, даже, административными – способами эта величина была снижена до 2 тысяч долларов.
Второе обстоятельство можно проиллюстрировать следующим примером. Если сравнить показатели качества двух абонентов ЦС, один из которых включен посредством индивидуальной АЛ, а второй – через систему с множественным доступом, то качество обслуживания исходящей нагрузки в первом случае всегда будет выше. Это объясняется тем, что вызовы, генерируемые вторым абонентом, будут иногда теряться из-за блокировок в системе множественного доступа. Если же первый абонент включен в ОС, которая, в принципе, может, в свою очередь, взаимодействовать с ЦС через УС, то вероятность потери вызова на участке абонент – ЦС может оказаться меньше для второго варианта.
В системах с МДВР кодирование речи основано как на принципах ИКМ, так и на адаптивной дифференциальной ИКМ (АДИКМ), ориентированной на создание цифрового канала с пропускной способностью 32 кбит/с. В последнее время наблюдается повышение интереса к МДКР [73, 74], которые позволят повысить пропускную способность систем с множественным доступом.
Характерная особенность систем с множественным доступом – отсутствие линейно-кабельных сооружений, что весьма привлекательно с точки зрения организации технической эксплуатации на СТС. Для снижения трудоемкости обслуживания к оборудованию систем с множественным доступом предъявляются достаточно жесткие надежностные требования. При среднем эксплуатационном периоде порядка 20 лет оборудование обычно рассчитывается на температурный режим от минус 30 50 0С 5 0до плюс 55 50 0С при высокой влажности и других неблагоприятных климатических характеристиках.
Общая тенденция развития СТС будет, скорее всего, связана с повышением числа абонентов, подключаемых к ТФОП посредством различных систем с множественным доступом. Эта экспансия будет распространяться и на ГТС, начиная с пригородных зон. В Испании, например, системы с множественным доступом уже сейчас широко применяются в пригородах страны [75].
3.6.4. Системы спутниковой связи на СТС
В последние годы значительно возрос интерес к использованию ССС для сельской связи. Такая ситуация объясняется успехами космической техники и радиоэлектроники, состояние которых в настоящее время позволяет строить экономичные системы связи, используя достаточно простые земные станции (ЗС). ССС, таким образом, могут на ряде СТС оказаться конкурентоспособными средствами связи.
Существует также такая сфера их применения, где ССС могут рассматриваться как единственно возможное средство организации доступа потенциальных абонентов к ТФОП. Очевидно, что подобное утверждение справедливо для существенной доли российских малонаселенных и труднодоступных регионов.
Концептуальные положения использования ССС на СТС требуют тщательной разработки. Это объясняется как спецификой ССС, так и особенностью современного процесса эволюции сельской связи. По этим причинам изложенные ниже соображения следует рассматривать как попытку сформулировать задачи, которые необходимо решить для эффективного использования ССС на СТС.
С точки зрения сельской связи и ТФОП в целом существенный интерес представляют следующие функциональные особенности ССС.
- возможность быстрого создания современной – как правило, цифровой – системы связи на практически любой территории вне зависимости от ее географических, климатических и иных характеристик;
- способность комплексного решения задач информационного обслуживания за счет использования спутников и ЗС как для телефонии, так и для подачи программ вещания, телевидения и т.п. (к этому следует добавить возможность использования ССС для связи с подвижными объектами, организации доступа к ЦСИО и ряд других перспективных приложений, изложенных в пятой главе);
- достаточно высокое качество спутниковых каналов при передаче различной информации;
- отсутствие линейно-кабельных сооружений, представляющих в сельской местности очень сложную – с точки зрения технической эксплуатации – систему;
- эффективное использование каналов связи за счет использования специализированного оборудования, называемого аппаратурой предоставления канала по требованию (АПКТ) в отечественной терминологии и Demand Assigned Multiple Access (DAMA) в англоязычной технической литературе [76];
- возможность синхронизации «цифровых островов», т.е. участков ТФОП, окруженных аналоговыми системами передачи и коммутации, за счет передачи соответствующих сигналов через спутник.
Наряду с вышеперечисленными достоинствами существует и ряд недостатков ССС, из которых – с точки зрения телефонии – целесообразно остановиться на т.н. «проблеме двух скачков» [77]. Под этим профессиональным выражением понимается ситуация, когда в тракте, организованном между корреспондирующими абонентами, находятся два канала, организованных посредством ССС. В этом случае чрезмерное время распространения сигналов приводит к тому, что телефонный разговор становится практически невозможным. Поэтому для передачи речи и ей подобной информации необходимо предпринять меры для исключения таких принципов маршрутизации, когда спутниковый канал может быть использован на более чем одном участке коммутируемой сети. Самое простое решение заключается во введении отметки о наличии в уже установленной части разговорного тракта канала ССС. Но существующие на местных телефонных сетях системы сигнализации не всегда позволяют реализовать такое решение.
Эта проблема может быть решена либо за счет коррекций в существующем оборудовании, выполняющем функции сигнализации, либо за счет разработки специфических системно-сетевых принципов использования ССС.