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

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

4 E1 ® E2

120

3

E3

34368

4 E2 ® E3

480

4

E4

139246

4 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

4 Е3 + Слж ® STM-1

16 Е2 + Слж ® STM-1

64 Е1 + Слж ® STM-1

2

STM-4

622,08

4 STM-1® STM-4

3

STM-16

2488,32

4 STM-4 ® STM-16

16 STM-1 ® STM-16

4

STM-64

9953,28

4 STM-16 ® STM-64

16 STM-4 ® STM-64

64 STM-1 ® STM-64

5

STM-256

39813,12

4 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.