1. Теоретические основы построения современных систем и сетей абонентского доступа
1.1. Основы построения современных сетей электросвязи
1.2. Архитектура сети электросвязи «первичная сеть – вторичные сети»
1.3. Архитектура сети электросвязи «транспортная сеть – сети доступа»
2. Организация абонентского доступа на основе телефонных модемов
3. Организация абонентского доступа на основе цифровых абонентских линий
3.1. Общая характеристика и классификация технологий цифровых абонентских линий
3.2. Особенности построения типового оборудования цифровых абонентских линий
4. Организация систем широкополосного проводного абонентского доступа
4.1. Организация абонентского доступа посредством концентрации абонентской нагрузки
4.1.1. Построение систем абонентского доступа на основе мультиплексоров
4.1.2. Построение систем абонентского доступа на основе УАТС
4.1.3. Организация абонентского доступа на основе цифровых абонентских концентраторов
4.2. Организация абонентского доступа на основе кабельных модемов
5. Принципы построения систем беспроводного абонентского доступа
5.1. Организация абонентского радиодоступа
5.2. Организация атмосферного оптического (инфракрасного) абонентского доступа
6. Абонентский доступ на основе интерфейсов семейства V5
7. Особенности построения систем абонентского доступа NGN
7.1. Принципы архитектурного построения NGN сетей и их систем абонентского доступа
7.2. Особенности построения типового оборудования систем абонентского доступа NGN
8. Основы проектирования сетей и систем абонентского доступа
Список сокращений
| АЛ | – абонентская линия |
| АМТС | – автоматическая междугородная телефонная станция |
| АОСП | – атмосферная оптическая система передачи |
| АСП | – аналоговая система передачи |
| АТА | – аналоговый телефонный аппарат |
| АТС | – автоматическая телефонная станция |
| АЦП | – аналого-цифровой преобразователь |
| ВВХ | – вероятностно-временные характеристики |
| ВОЛП | – волоконно-оптические линии передачи |
| ВРК | – временное разделение каналов |
| ВРНП | – временное разделение направлений передачи |
| ВСС | – вторичные сети связи |
| ГК | – гибкий коммутатор |
| ДВО | – дополнительные виды обслуживания |
| ДРНП | – дифференциальное разделение направлений передачи |
| ДС | – дифференциальная система |
| ЕСЭ РФ | – Единая сеть электросвязи Российской Федерации |
| ЗУ | – запоминающее устройство |
| ИКМ | – импульсно-кодовая модуляция |
| ИС | – интеллектуальная сеть |
| ИЦСС | – интегрированная цифровая сеть связи |
| КИ | – канальный интервал |
| КС | – канал связи |
| КТВ | – кабельное телевидение |
| КТЧ | – канал тональной частоты |
| ЛВС | – локальная вычислительная сеть |
| МП | – мультиплексор первичный |
| МР | – мультиплексор |
| МСЭ | – Международный союз электросвязи |
| НСД | – несанкционированный доступ |
| ОКС | – общий канал сигнализации |
| ООД | – оконечное оборудование данных |
| ОЦК | – основной цифровой канал |
| ПД | – передача данных |
| ППОМ | – приемопередающий оптический модуль |
| ПЦИ | – плезиохронная цифровая иерархия |
| ПЭВМ | – персональная электронно-вычислительная машина |
| СД | – сеть доступа |
| СК | – система коммутации |
| СЛ | – соединительная линия |
| СПД | – сеть передачи данных |
| СПС | – сеть подвижной связи |
| СС 7 | – система сигнализации № 7 |
| ССОП | – сеть связи общего пользования (мультисервисная) |
| СТфОП | – сеть телефонной связи общего пользования |
| СЦИ | – синхронная цифровая иерархия |
| ТВВЧ | – телевидение высокой четкости |
| УАТС | – учрежденческая автоматическая телефонная станция |
| УПС | – универсальная персональная связь |
| ТС | – транспортная сеть |
| УУ | – управляющее устройство |
| УЦСИС | – узкополосная сеть с интеграцией служб |
| ЧРНП | – частотное разделение направлений передачи |
| ЦАТС | – цифровая автоматическая телефонная станция |
| ЦВСС | – цифровая вторичная сеть связи |
| ЦОС | – цифровая обработка сигнала |
| ЦПСС | – цифровая первичная сеть связи |
| ЦСИС | – цифровая сеть с интеграцией служб |
| ЦСК | – цифровая система коммутации |
| ЦСП | – цифровая система передачи |
| ЦСС | – цифровая сеть связи |
| ЦТА | – цифровой телефонный аппарат |
| ЦТЭ | – центр технической эксплуатации |
| ШЦСИС | – широкополосная сеть с интеграцией служб |
| ЭМВОС | – эталонная модель взаимодействия открытых систем |
1. Теоретические основы построения современных систем и сетей абонентского доступа
В соответствии с вступившим с 1 января 2004 года Федеральным законом «О связи» важнейшим элементом Федеральной связи РФ является Единая сеть электросвязи (ЕСЭ) РФ. Она объединяет расположенные на территории России сети электросвязи следующих категорий: сеть связи общего пользования (ССОП); выделенные сети связи; технологические сети связи, присоединенные к сети связи общего пользования; сети связи специального назначения и другие сети для передачи информации при помощи электромагнитных систем [9].
ЕСЭ РФ строится на базе комплексного применения различного телекоммуникационного оборудования. Каждый элемент ЕСЭ (каналообразующая аппаратура, направляющая система, узел коммутации, устройство контроля или блок управления), реализуя возложенные на него функции, способствует достижению единой цели – максимальному удовлетворению информационных потребностей пользователей.
Важным понятием при исследовании различных сетей электросвязи является служба электросвязи [1, 10], под которой следует понимать организационно-техническую структуру на базе сети связи (или совокупности сетей связи), обеспечивающую обслуживание пользователей с целью удовлетворения их потребностей в определенном наборе услуг электросвязи. Различают два основных типа служб электросвязи: службы переноса и телеслужбы (службы предоставления связи). Служба переноса обеспечивает только возможность передачи сигналов. Оконечные устройства не входят в службы переноса. Телеслужба обеспечивает полную реализацию (включая функции оконечных устройств) возможностей определенного вида связи между пользователями. Телеслужба организуется на базе службы переноса и оконечных устройств.
Одна или несколько служб электросвязи и одна или несколько сетей электросвязи могут входить в систему электросвязи, представляющую собой комплекс технических средств, осуществляющих электросвязь определенного вида. Принципы организации и функционирования систем электросвязи обусловливаются составом и взаимодействием элементов, ее составляющих.
1.1. Основы построения современных сетей электросвязи
К началу XXI века человечество пришло к осознанию того, что именно информационная сфера его деятельности сегодня определяет уровень социально-политического, экономического и культурного развития общества. Это обусловлено, главным образом, тем, что любая целенаправленная деятельность, любое управление связаны со сбором, обработкой и передачей информации, которая стала таким же стратегическим ресурсом, как материалы и энергия. В самом общем смысле информация понимается как любые сведения о каком-либо предмете (процессе, событии, факте и т. п.), представленные или с применением некоторого языка (набора символов), или в каком-либо другом виде (графическом, звуковом, видео и т. п.). Для того чтобы информацию можно было использовать в интересах управления, из нее должны быть своевременно выделены необходимые сведения требуемых объема и достоверности. Таким образом, неотъемлемой частью управления является процесс обработки информации, то есть ее преобразование, с целью получения необходимых сведений с заданными характеристиками.
В роли источников и приемников информации, как правило, выступают люди или устройства, обслуживаемые людьми. Очевидно, что последние могут находиться на большом расстоянии друг от друга, в связи с чем возникает необходимость передачи информации, под которой понимается пересылка сведений между пространственно удаленными источником и приемником информации.
Для удобства передачи информации в источнике, как правило, формируются одно или несколько сообщений. При этом под сообщением понимается имеющая признаки начала и конца форма представления информации, предназначенной для передачи. Физиологические способности человека определяют возможность восприятия им информации через посредство звука (речи, акустического сигнала и т. п.), изображения (неподвижного или подвижного) или в виде знаков некоторого алфавита. Поэтому сообщения формируются в одном из указанных видов и классифицируются соответствующим образом (речевые, звуковые, графические, видео, текстовые и т. д.).
Если два источника осуществляют передачу информации друг другу, одновременно являясь приемниками адресованных им сообщений, принято говорить, что реализуется процесс обмена информацией. С ростом количества источников и приемников один процесс обмена информации накладывается на другой, и возникает задача обеспечения доставки каждого конкретного сообщения тому приемнику, которому оно предназначалось. Обеспечение обмена информацией в условиях одновременного функционирования нескольких источников и приемников информации является процессом распределения информации.
В настоящее время для обработки, передачи и распределения информации часто используются электромагнитные волны (электрические сигналы) различных диапазонов, включая оптический. Электрические сигналы, несущие все необходимые и достаточные признаки передаваемого сообщения, называются сигналами электросвязи, или просто сигналами. Справедливо утверждение, что сигнал – это физический процесс (функция времени), отображающий сообщение.
Собственно термин «связь» можно трактовать как техническую основу передачи и приема информации между людьми или устройствами [1]. В ряде источников [2, 10] указывается, что в широком смысле понятие «связь» и является процессом передачи сообщений от источника к получателю.
Из указанного следует, что для передачи сообщения от источника к приемнику необходимо использовать технические средства, реализующие преобразование исходной информации в электрические сигналы, перенос этих сигналов из одной точки пространства в другую и обратного преобразования электрических сигналов в исходное сообщение. Технические средства передачи информации в виде электрических сигналов имеют обобщенное название «системы электросвязи». Конкретными примерами системы электросвязи являются система передачи, система коммутации и сеть связи.
Продукт функционирования системы электросвязи по приему, обработке, передаче и доставке сообщений принято определять как услугу электросвязи.
Здесь следует отметить, что любое физическое или юридическое лицо, являющееся потребителем услуг связи, как правило, называют пользователем. Термин «абонент» является более узким и применяется для обозначения только тех физических или юридических лиц, с которыми заключен договор об оказании ему услуг электросвязи с выделением абонентского номера. Очевидно, что именно потребители услуг связи являются источниками и приемниками информации, создающими потоки сообщений различных вида и назначения и предъявляющими к системе электросвязи требования по доставке и обработке информации с соблюдением заданных качественных и количественных показателей (по объемам, времени, надежности и т. п.).
В процессе эволюции систем электросвязи вместо аналоговых (непрерывных) сигналов для передачи и распределения информации все чаще стали применяться цифровые (дискретные) сигналы, которые до этого использовались преимущественно в системах обработки информации (ЭВМ, АСУ и т. п.). С тех пор информация, представленная в виде, пригодном как для обработки (хранения), так и для передачи, обозначается термином «данные». Пересылка данных при помощи технических средств связи называется передачей данных.
Применение средств вычислительной техники совместно со средствами связи позволило удовлетворить самые разнообразные информационные потребности людей. Появились новые виды услуг связи (передача факсимиле, электронная почта, видеоконференция и т. п.). Это, в свою очередь, потребовало установки у пользователя персональных средств обработки данных (факса, ЭВМ, видео-устройств и т. д.). Развитие этого направления систем электросвязи привело к появлению сетей передачи данных.
Сети электросвязи, обеспечивающие предоставление потребителям наряду с традиционными (телефонными, телеграфными, звукового и телевизионного вещания) услугами связи возможность передавать и принимать данные, стали называть телекоммуникационными сетями. Так как в настоящее время услуги передачи данных поддерживают практически все функционирующие системы электросвязи, понятия «сеть связи» и «телекоммуникационная сеть» стали практически синонимами.
Пункты распределения информации различных видов связи, объединенные в узлы связи, обеспечивают реализацию процессов ввода-вывода, пересылки сообщений по предназначению и составления путей их передачи. Перечисленные процессы составляют сущность понятия «коммутация», вследствие чего комплекс технических средств узла связи, реализующий эти процессы, называют системой коммутации.
Таким образом, система коммутации является системой распределения информации.
С точки зрения системного подхода сеть связи для системы коммутации является системой более высокого уровня (суперсистемой). Для потребителей информации распределение сообщений по предназначению обеспечивается сетью связи в целом. Поэтому сеть связи также можно считать системой распределения информации, только более высокого системного уровня.
Сети связи и системы коммутации, реализуя близкие по сущности 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 |