Интерес к широкополосным сетям объясняется несколькими причинами, из числа которых обычно выделяют три существенные тенденции [35]:

- абоненты сети электросвязи хотят расширить спектр предоставляемых им услуг возможностью обмена подвижными и неподвижными изображениями, так как порядка 80% основной информации человек получает визуально;

- непрерывный рост требований на высокоскоростные тракты, соединяющие локальные вычислительные сети;

- развитие систем удаленной обработки данных, требующих передачи больших объемов информации.

Эти три приложения широкополосных телекоммуникаций имеют весьма специфические требования, что, вероятно, породило создание нескольких специализированных сетей. В качестве примеров концептуальных положений, относящихся к широкополосным сетям, можно назвать [36]:

- Switched Multimegabit Data Service (SMDS) – коммутируемая сеть ПД, поддерживающая услуги на скоростях, измеряемых в Мбит/с;

- Fiber Distributed Data Interface (FDDI) – оптический распределенный интерфейс для обмена данными;

- Distributed Queue Dual Bus (DQDB) – двойная шина с распределенной очередью;

- Frame Relay, Frame Switching – перенос и коммутация кадров.

Перечисленные технологии широкополосной связи предназначены, в основном, для обмена данными в пределах локальных сетей или между ними (в англоязычной технической литературе – LAN, MAN и WAN) и для систем удаленной обработки данных. Задача поддержки услуг по передаче визуальной информации на перечисленные технологии не возлагается. По этой причине обмен визуальной информацией может обеспечиваться в рамках трех сценариев:

- создание специализированной широкополосной сети, предоставляющей только те услуги, которые не поддерживаются перечисленными выше системами;

- реализация глобальной интегральной сети, обладающей функциональными возможностями по поддержке всех широкополосных услуг;

- постепенное развитие узкополосной ЦСИО в широкополосную сеть, предназначенную для оптимального уровня интеграции соответствующих телекоммуникационных технологий.

В настоящее время уже можно утверждать, что развитие электросвязи пошло по третьему пути, определяемому концепцией широкополосной ЦСИО [37 – 41]. Придавая большое значение этому направлению эволюции электросвязи, страны Европейского Сообщества приняли специальную программу RACE (Research and Technology Development in Advanced Communications Technologies in Europe), координирующую совместные усилия по практической реализации широкополосной ЦСИО. Поэтому именно эта концепция и рассматривается в настоящем разделе в качестве основного сценария реализации широкополосных услуг электросвязи.

Широкополосная ЦСИО рассматривается МСЭ и ETSI как эволюция идеи интегрального обслуживания, что нашло естественное отражение в основных системно-сетевых решениях. Функциональные блоки и эталонные точки, приведенные для широкополосной сети на рисунке 5.12, во многом соответствуют аналогичным элементам узкополосной ЦСИО. Большая буква "B" на функциональных блоках и малая буква "b" на эталонных точках подчеркивают их принадлежность к широкополосной ЦСИО. Назначение функциональных блоков и общие характеристики эталонных точек для конфигураций, показанных в верхней части рисунка 5.12, практически аналогичны тем, что описаны в разделе 5.2 для узкополосной ЦСИО. Но особенности широкополосной ЦСИО подразумевают более широкий набор эталонных конфигураций стыка пользователь-сеть, один из которых показан в нижней части рассматриваемого рисунка [42].

Первая из упомянутых особенностей эталонных конфигураций заключается в возможном использовании распределенного сетевого окончания B-NT2. Согласование характеристик распределенного B-NT2 с другими функциональными блоками стыка пользователь-сеть вводятся промежуточные адаптеры (Medium Adapter). Вторая специфическая черта рассматриваемой топологии состоит в том, что появляется новый интерфейс, обозначенный латинской буквой "W". Этот интерфейс может быть нестандартным по отношению к стыкам, специфицированным МСЭ. Промежуточный адаптер может конструктивно объединяться с терминальным адаптером; такой вариант его реализации показан в левом нижнем углу рисунка 5.12. И, наконец, последняя особенность эталонной конфигурации состоит в том, что широкополосная ЦСИО должна обеспечивать включение терминалов, которые относятся к классу узкополосных оконечных устройств. Такой терминал, обозначенный как TE2 (без буквы "B"), изображен на рисунке 5.12 в левом нижнем углу.

Существенная особенность широкополосной ЦСИО заключается в существенно новом перечне предоставляемых пользователям услуг и в применении асинхронного режима переноса информации – метода ATM (Asynchronous Transfer Mode).

Метод ATM считается оптимальным вариантом режима переноса информации в широкополосной ЦСИО. Применение этого метода оказало большое влияние на стандартизацию новой цифровой иерархии систем передачи, станций коммутации и широкополосных интерфейсов. В рекомендации I.150 [43] метод ATM характеризуется как особый, схожий с пакетным, метод переноса информации, использующий технику асинхронного временного мультиплексирования; объединенный информационный поток организуется в блоки фиксированной длины, именуемые фрагментами (cell) или элементами.

Фрагмент состоит из поля информации пользователя и заголовка, идентифицирующего все фрагменты, принадлежащие одному виртуальному каналу. Длина фрагмента равна 53 октетам, из которых 5 октетов занимает заголовок. Информационное поле, состоящее из 48 октетов, переносится через уровень ATM без какой-либо обработки. В этом заключается одно из отличий метода ATM (transfer – перенос) от метода ПД в форме пакетов (transmission – передача).

Метод ATM ориентирован, в основном, на услуги, требующие предварительного установления соединения между пользователями. Сигнальные сообщения и информация пользователей передаются по различным виртуальным каналам. Однако метод ATM считается эффективным и для услуг, которые не требуют соединения между пользователями.

Использование метода ATM оказало значительное влияние на разработку и стандартизацию нового поколения цифровых систем передачи и коммутации, структур мультиплексирования в ЦСП и интерфейсов в широкополосных сетях.

МСЭ стандартизовал два типа интерфейса пользователь-сеть для широкополосной ЦСИО. Интерфейс первого типа организуется на скорости 155,520 Мбит/с. Он может быть реализован с помощью двух коаксиальных кабелей или ОК с использованием одного или двух оптических. Этот интерфейс, как правило, симметричен по скорости передачи битов в обоих направлениях. Общий ресурс передаваемого потока битов через данный интерфейс (payload) составляет 149,760 Мбит/с. Учитывая, что 5 октетов в каждом фрагменте занимает заголовок, информационная скорость на интерфейсе составляет 135,631 Мбит/с.

Интерфейс пользователь-сеть второго типа организуется на скорости 622,080 Мбит/с. Он может представлять собой объединение (путем чередования битов, байтов или фрагментов) цифровых потоков четырех интерфейсов первого типа и реализуется, преимущественно, на ОК. Этот интерфейс может быть как симметричным, так и асимметричным.

В 1993 году в МСЭ от делегаций Германии, США, Канады и Южной Кореи [44] поступили предложения, касающиеся стандартизации еще одного интерфейса пользователь-сеть, опирающегося на более низкую скорость передачи фрагментов ATM. Предлагаемые номиналы скоростей передачи лежат в пределах 16,128 Мбит/с до 51,840 Мбит/с. Целесообразность стандартизации нового интерфейса объясняется тремя основными причинами:

- снижение скорости расширит возможность использования существующей цифровой первичной сети;

- успехи в технике сжатия видеосигналов позволят обеспечить большинство услуг широкополосной ЦСИО на более низких скоростях без заметного ухудшения качества передаваемой информации;

- интерфейс на скорости порядка 50 Мбит/с обеспечит, по всей видимости, более экономичную реализацию терминального оборудования и линейных сооружений между сетевым окончанием и коммутационной станцией.

Предложения по стандартизации стыка пользователь-сеть на более низких скоростях будут изучаться МСЭ в рамках уточнения рекомендации I.432 [44].

Перспективной направляющей системой для широкополосной ЦСИО считается ОК с одномодовыми волокнами. Структура абонентской сети для широкополосной ЦСИО будет определяться многими факторами, но общие сценарии ее развития можно представить вариантами, показанными на рисунке 5.13. Первые три варианта практически совпадают с аналогичными решениями для перспективной абонентской сети, изложенными в разделе 3.7. Последний вариант иллюстрирует возможность организации резервного доступа к ЦСИО. Следует отметить, что эта проблема по мере развития процессов интеграции становится весьма актуальной. Для пользователя широкополосной ЦСИО отказ АЛ, сетевого или линейного окончаний равносилен полной информационной изоляции.

Широкополосная ЦСИО поддерживает широкий спектр услуг, которые классифицируются на две большие группы: интерактивные и распределения информации. Первая группа включает в себя услуги, предусматривающие двустороннюю связь между пользователями. Вторая группа – это услуги, характеризующиеся однонаправленным потоком информации от какой-либо точки к одному или нескольким пользователям сети.

Интерактивные услуги делятся, в свою очередь, на три класса: диалоговые, обмена сообщениями, обращения к банкам данных. Услуги первого класса обеспечивают двусторонний диалог со сквозным переносом информации в реальном времени (без промежуточных накопителей) от пользователя к пользователю или между пользователем и главным центром (например, для обработки данных). Поток данных пользователя может быть двунаправленным симметричным, двунаправленным асимметричным и, в некоторых особых случаях (например, в таких как видеонаблюдения), поток данных может быть однонаправленным. Информация создается пользователем или пользователями, посылающими сообщения, и выделяется одним или более индивидуальными пользователями на приемной стороне. Примерами широкополосных диалоговых услуг являются видеотелефонная связь, видеоконференция и высокоскоростной обмен данными.

Услуги обмена сообщениями реализуют связь между индивидуальными пользователями через промежуточные накопители, которые выполняют функции буферной памяти, "почтового ящика" или обработки сообщений (например, редактирование, обработка и преобразование информации). Примерами этих услуг могут служить услуги по обработке сообщений, пересылке движущихся изображений, передаче изображений с высокой разрешающей способностью и звуковым сопровождением.

Услуги обращения к банкам данных позволяют получать информацию, накопленную в банках данных и предназначенную, в основном, для общего пользования. Эта информация будет посылаться пользователю только по его запросу. Информация может быть получена по индивидуальному запросу. Кроме того, пользователь управляет временем начала передачи информации. Примерами рассматриваемого класса услуг могут считаться широкополосные услуги обращения к банкам для запроса фильмов, изображений с высокой четкостью, звуковой информации и архивных данных.

Услуги распределения без индивидуального управления со стороны пользователя обычно называют "вещанием". Они предусматривают распределение непрерывного потока информации от центрального источника к неограниченному числу приемников, имеющих право на подключение к сети. Пользователь имеет доступ к этой информации без возможности определять момент, когда начинается передача информации. Пользователь не может управлять началом и порядком предоставления информации типа "вещание". Независимо от момента времени подключения пользователя информация не будет предоставляться со своего начала. Характерными примерами подобного класса услуг являются программы телевидения и радиовещания.

Услуги распределения с индивидуальным управлением со стороны пользователя также ориентированы на распределение информации от центрального источника к большому числу пользователей. Однако информация организуется как последовательность циклически повторяющихся информационных блоков (например, кадров). Таким образом, пользователь имеет возможность индивидуального доступа к циклически распределяемой информации и может управлять началом ее передачи и порядком представления. Благодаря циклическому повторению, информационные блоки, выбираемые пользователем, всегда будут представляться со своего начала.

Возможные варианты реализации широкополосной ЦСИО в значительной мере определяются технологией ATM. По этой причине целесообразно уточнить ту роль, которую играет метод ATM в концепции широкополосной ЦСИО. Рекомендация I.311 [45] определяет структуру транспортной сети ATM в виде уровневой топологии, показанной на рисунке 5.14.

Физический уровень состоит, в свою очередь, из трех подуровней. Они специфицируют основные характеристики, определяющие принципы функционирования:

- тракта передачи цифрового потока между двумя или более узлами первичной сети;

- цифрового участка (digital section), расположенного между смежными узлами первичной сети;

- участка между двумя соседними регенераторами, расположение которых определяется характеристиками используемой направляющей среды.

Уровень ATM включает два подуровня: виртуального канала и виртуального тракта. Понятие "виртуальный канал" используется для описания характеристик переноса фрагментов ATM в одном направлении. Виртуальные тракты создаются между коммутационными станциями широкополосной ЦСИО, чтобы упростить обработку информации, относящейся к каждому виртуальному каналу, на транзитных узлах сети. Это решение, иллюстрируемое в нижней части рисунка 5.14, существенно улучшает основные эксплуатационные характеристики широкополосной ЦСИО.

В процессе разработки стандартов, определяющих принципиальные характеристики режима ATM, была сформулирована возможность внедрения этой перспективной технологии создания транспортной сети до построения широкополосной ЦСИО, но в качестве основы для ее постепенной реализации. Такой подход получил название "ATMization" – ATMизация сети [46, 47]. Основная идея использования технологии ATM на существующих сетях в [46] формализована с помощью геометрических фигур, расположенных в трех координатах: услуги, часть сети, на которой используется метод ATM, и пользователи, которые получают соответствующие функциональные возможности. Два возможных сценария ATMизации сети показаны на рисунках 5.15 и 5.16.

Сценарий, приведенный на первом из упомянутых рисунков, подразумевает использование техники ATM на абонентском участке (сеть доступа) для всех групп пользователей. Услуги, поддерживаемые ATM, связаны, в основном, с обменом данными. Дальнейшая эволюция этого сценария, направления которой формально указываются стрелками, состоит в расширении спектра поддерживаемых услуг и распространении техники ATM на другие уровни иерархии сети.

Второй сценарий ориентирован на использование технологии ATM для модернизации транзитной сети. Он обеспечивает поддержку большого класса услуг за исключением тех, которые относятся к классу "вещание". Следует отметить, что данный сценарий уже давно исследуется отечественными специалистами [40, 41, 48].

Дальнейшее развитие концепция "ATMизация сети" получила в работе [47], где введено новое понятие – "гранулированная (Granulated) широкополосная сеть". Это понятие рассматривается в [47] как одна из версий ATMизации ТФОП, направленная на постепенный переход к широкополосной ЦСИО.

На первом этапе реализации гранулированная широкополосная сеть будет решать две основные задачи:

- обеспечение новых перспективных услуг для различных систем обмена данными;

- введение технологии ATM, обеспечивающей хорошее использование широкополосных каналов и подготавливающей ТФОП к дальнейшей эволюции.

Первый тезис основан на ожидаемых темпах роста объема передаваемых данных между локальными сетями и, даже, мощными персональными компьютерами. Многие специалисты считают, что объем передаваемых данных в ближайшее время может превысить пропускную способность существующих систем ПД, основанных на стандарте X.25, арендованных и коммутируемых трактах первичных ЦСП и, в некоторых случаях, арендованных трактах третичных ЦСП. По этой причине были разработаны упоминавшиеся выше технологии Frame Relay, DQDB и другие, что, по всей видимости, создаст значительную конкуренцию технологии ATM. В [47] введено предположение, что технология ATM может обеспечить достаточно низкие тарифы на услуги высокоскоростной ПД, что обеспечит ее преимущества перед альтернативными предложениями.

Существующие и перспективные ЦСП обеспечивают синхронный режим переноса потока битов, именуемый в англоязычной технической литературе аббревиатурой STM (Sinchronous Transfer Mode). По этой причине на уровне транзитной сети внедряемая технология ATM будет сосуществовать с первичной сетью, реализованной на принципах STM. На рисунке 5.17 этот факт отображается на транзитной сети, начинающейся (для всех вариантов организации гранулированной сети) за пределами коммутационной станции.

В первом случае в цифровую коммутационную станцию включены два типа оконечного оборудования:

- аналоговые терминалы по обычным АЛ, заканчивающимся в обычных абонентских комплектах (АК);

- цифровые терминалы ЦСИО, соединяемые со станционным оборудованием согласно принципам, принятым для узкополосной ЦСИО.

Обозначение STM коммутация использовано в [47] для того, чтобы подчеркнуть возможность использования цифровой АТС. Цифровые коммутационные станции рассчитаны на включение трактов первичных ЦСП. По этой причине устройство согласования технологий ATM и STM, именуемое CLAD (cell assembly/disassembly – сборка/разборка фрагментов ATM), сопровождается обозначением VC11. Это объясняется тем, что виртуальный контейнер (Virtual Container) VC11 определяет именно цифровой тракт первичной ЦСП [49, 50].

Рассматриваемый вариант фактически не использует те преимущества, которые присущи технологии ATM. Ситуация изменяется при установке оборудования CLAD в местах размещения терминального оборудования. Функции, выполняемые CLAD, приводят к определенной задержке передаваемой информации. По этой причине необходимо использовать эхоподавители, обозначенные на рисунке 5.17 латинскими буквами CE (echo canceller). Устройства управления виртуальными каналами VCH (Virtual Channel Handlers) и цифровая коммутационная станция работают, практически, независимо. Вводимый (в данном варианте модернизации коммутационного оборудования) новый элемент VCH выполняет функции, похожие на операции, реализуемые в центре быстрой коммутации пакетов.

Следующий сценарий развития сети основан на использовании технологии STM исключительно на транзитном участке. Все терминалы подключаются к VCH через сеть ATM, охватывающую всю абонентскую сеть. Этот вариант может оказаться более экономичным по сравнению с предыдущим, так как ориентирован на использование единой системы распределения информации. С другой стороны, необходимость использования оборудования CLAD и CE на каждой АЛ обуславливает достаточно высокие затраты на реализацию и второго, и третьего сценариев.

Частичный компромисс между первым и третьим сценариями представлен в самой нижней части рисунка 5.17. Этот вариант способен обеспечить минимальные затраты на начальном этапе перехода к широкополосной сети. Он, с другой стороны, не обладает той привлекательностью, которая характерна для третьего сценария, обещающего, по всей вероятности, наиболее быстрый путь создания широкополосной ЦСИО. Выбор оптимального варианта будет, в значительной мере, зависеть от возможности реализации оборудования CLAD и CE в виде одной микросхемы. Если это удастся, то стоимостные характеристики третьего сценария могут оказаться вполне приемлемыми для его практического воплощения.

Период создания широкополосной ЦСИО с точки зрения преобразований, происходящих с основными элементами сети, может быть разбит на три основных этапа [51], которые показаны на рисунке 5.18.

На первом этапе транзитная сеть ATM используется исключительно для обмена данными между локальными сетями, использующими асинхронный режим переноса информации – (LAN ATM). В [51] высказывается мнение, что этот путь применения технологии ATM будет доминировать в 90-х годах. Помимо услуг для локальных сетей транзитная сеть ATM будет предоставлять арендованные каналы с высокой пропускной способностью. Это обеспечит возможность обслуживания пользователей делового сектора в том случае, если объемы передаваемой информации, как следует из некоторых прогнозов [52], будут расти очень высокими темпами.

Второй этап создания широкополосной ЦСИО, который начнется, ориентировочно, в 2000 году, характеризуется следующими ключевыми моментами:

- абонентские сети, модернизируемые за счет широкого использования ОК, подключаются к транзитной сети ATM;

- значительная доля абонентов переключается, таким образом, из ТФОП и других вторичных сетей в сеть ATM;

- транзитная сеть ATM взаимодействует с существующими сетями электросвязи через соответствующие адаптеры;

- управление всей системой электросвязи, включая функции сигнализации, осуществляется на принципах, принятых для технологии ATM.

На этом этапе эволюции широкополосной ЦСИО ее пользователями становятся и абоненты квартирного сектора. Это объясняется введением услуг визуальной связи и ожидаемым снижением тарифов, установленных для пользователей широкополосной ЦСИО.

Третий этап, планируемый после 2015 года, подразумевает использование технологии ATM как единого метода переноса и распределения информации в сети электросвязи. На этом этапе пользователям будут доступны все услуги, поддерживаемые широкополосной ЦСИО.

Возможные сценарии эволюции широкополосной ЦСИО, изложенные в [46, 47 и 51], не содержат (в явном виде) предложений, касающихся структуры широкополосной ЦСИО. Применительно к местным сетям электросвязи подобная задача может, в настоящее время, решаться только в самом общем виде. Сама по себе разработка структуры широкополосной ЦСИО актуальна, в основном, по той причине, что многие системно-сетевые решения, принимаемые на текущем этапе развития ВСС РФ, окажут определенное влияние на процесс перехода к широкополосной ЦСИО.

Построение структуры широкополосной сети может осуществляться по различным сценариям. Преобразование цифровой АТС, в которой реализованы услуги узкополосной ЦСИО, в коммутационную станцию широкополосной сети считается весьма сложной задачей. По этой причине на начальном этапе реализации услуг широкополосной ЦСИО в рамках каждой местной сети может использоваться только одна коммутационная станция, обеспечивающая необходимые функции по распределению широкополосной информации. Подобное решение для районированной местной сети без узлов показано на рисунке 5.19 как вариант (а). Организация такой структуры широкополосной ЦСИО может рассматриваться как начало формирования "наложенной" сети.

Следует отметить, что смысл понятия "наложенная сеть" при переходе от ИЦС к узкополосной ЦСИО и от последней к широкополосной сети существенно изменяется, что объясняется различными целями их реализации. Применительно к широкополосной ЦСИО применение концепции "наложенной" стимулируется двумя основными причинами:

- существенной разницей в пропускной способности каналов доступа на стыке пользователь-сеть;

- применением техники ATM, оказывающей, в свою очередь, значительное влияние на основные принципы сопряжения широкополосной ЦСИО с другими сетями электросвязи.

Подключение абонентов, желающих стать пользователями широкополосной ЦСИО, осуществляется к соответствующей коммутационной станции теми же способами, что используются для организации узкополосной ЦСИО. Такой вариант представляет собой временное решение. Постепенно все коммутационные станции будут оснащены аппаратно-программными средствами, обеспечивающими подключение пользователей широкополосных ЦСИО. По завершении этого процесса структуры обеих сетей совпадут, что иллюстрируется на рисунке 5.19 вариантом (б).

Показанный для обоих вариантов выход на междугородную сеть может, в свою очередь, реализовываться различными способами. Существенное повышение пропускной способности междугородных и международной сетей, необходимое для поддержки широкополосных услуг, будет, естественно, весьма длительным процессом. Это положение стимулирует интерес к использованию ССС, способных, по крайней мере на первом этапе развития широкополосной ЦСИО, быстро организовать соответствующую первичную сеть [53].

Принципы взаимодействия широкополосной ЦСИО с другими сетями электросвязи основаны на использовании сетевых адаптеров NA (Network Adaptor). Функции сетевых адаптеров заключаются в согласовании всех характеристик интерфейса между широкополосной ЦСИО и взаимодействующих с ней сетей электросвязи. Общие принципы взаимодействия сетей показаны на рисунке 5.20, составленном с учетом предложенного в [54] дополнения, которое касается применения терминалов Multimedia.

Хотя работа над стандартами, регламентирующими основные принципы создания широкополосной ЦСИО, еще далека от завершения, перспективность этого направления эволюции электросвязи уже не вызывает никаких сомнений у Администраций развитых стран. Это обстоятельство актуализирует задачу комплексного анализа основных принципов эволюции ВСС РФ с тем, чтобы разрабатываемые в настоящее время системно-сетевые решения не противоречили предстоящему переходу к широкополосной ЦСИО.