книги / Основы построения телекоммуникационных систем и сетей

Предисловие

Когда в М осковском институте электронной техники (техни­ ческом университете) создали кафедру "Телекоммуникационные системы" для подготовки инженеров-разработчиков по телеком­ муникационным специальностям, заведующий кафедрой доктор технических наук, профессор В.В. Баринов пригласил меня прочи­ тать двухсеместровый курс лекций "Основы построения телеком­ муникационных систем и сетей" студентам третьего курса. Начав подготовку лекций, я с удивлением обнаружил, что по этому курсу у нас в стране отсутствуют не только учебники, но даже учебные пособия, хотя лекции по курсу читаются уже в течение многих лет в ведущих вузах России, а сам курс является теоретическим фун­ даментом построения телекоммуникационных систем. Какие-либо адекватные книги по основам и принципам построения телеком­ муникационных систем в зарубежной литературе также отсут­ ствуют.

Профессор В.В. Баринов предложил мне на базе читаемого курса лекций написать учебное пособие. Я дал согласие, имея в виду важность передачи накопленного старшим поколением опыта разработки телекоммуникационных систем будущим разработчи­ кам и сознавая в то же время свою ответственность перед буду­ щим читателем, поскольку первая книга по основам телекоммуни­ кационных систем поневоле явится неким научным стандартом как для выпускников вузов, так и для- инженеров-разработчиков телекоммуникационных систем, которые уже не будут иметь мо­ рального права создавать телекоммуникационные системы с ха­ рактеристиками, худшими по сравнению с описанными в книге.

Книга написана быстро, и я чувствую большое удовлетворе­ ние от ее написания. Весьма важен отбор материала для книги. Он произведен на основании моего более чем 40-летнего опыта рабо­ ты в промышленности в качестве разработчика, руководителя или главного конструктора многочисленных НИОКР в области спут­ никовых, радиорелейных, тропосферных и сотовых телекоммуни­ кационных радиосистем.

Я выражаю искреннюю признательность коллективу кафедры "Телекоммуникационные системы" за помощь при подготовке книги.

Доктор технических наук, профессор

И .М . Т еп ляков

Введение

Традиционные виды связи - телефония и передача телевизи­ онных сигналов - определяли в течение многих лет во всем мире структуру и характеристики каналов и сетей связи. Стремитель­ ный рост компьютерных технологий, выпуск громадного количе­ ства персональных компьютеров потребовали создания соответст­ вующих каналов и сетей связи для организации обмена информа­ цией между компьютерами.

Конвергенция связи и компьютерных технологий привела к созданию новых типов систем связи, которые по терминологии Международного союза электросвязи (МСЭ) называются инфокоммуникационными.

Объем информации, передаваемой от компьютеров по кана­ лам связи, уже превышает в развитых странах объемы традицион­ ного телефонного трафика. Современные каналы и сети связи соз­ даются для передачи так называемой мультимедийной информа­ ции, которая включает как передачу компьютерной информации, такой как тексты (электронная почта), графика, файлы, изображе­ ния, видео, Internet-данные, так и передачу телефонных и телеви­ зионных сигналов. В зависимости от вида передаваемой информа­ ции для передачи мультимедиа требуются каналы связи с пропу­ скной способностью от 64 кбит/с до 2,048 Мбит/с и выше, что существенно превышает скорости передачи информации, необхо­ димые для передачи телефонного сигнала.

Инфокоммуникационную систему можно разделить на две большие части: на так называемую первичную или транспортную сеть связи, назначение которой состоит в передаче и коммутации потоков информации, и на вторичные сети - сети информаци­ онных или телекоммуникационных услуг, в которых создаются многочисленные услуги, приложения и управление предоставле­ нием услуг. Типовыми вторичными сетями являются, например, сети электронной почты, видеоконференц-связи, услуги доступа в Internet и др.

Первичные или транспортные сети и системы называются те­ лекоммуникационными сетями и системами. Они являются бази­ сом инфокоммуникационных систем. Создание телекоммуникаци­ онных систем требует больших материальных затрат, вследствие чего они являются более консервативными по отношению к сетям информационных услуг.

Рис. В]. Инфокоммуникационная система и ее составляющие

Телекоммуникационные системы и сети создаются на базе универсальных цифровых каналов связи. Технология передачи (коммутации) сообщений по сетям связи не должна зависеть от технологий предоставления услуг. Согласно новому представле­ нию об архитектуре будущих инфокоммуникационных сетей, ин­ фокоммуникационная сеть должна состоять из трех слоев: транс­ портного слоя, слоя услуг и слоя адаптации. Слой адаптации слу­ жит для взаимодействия транспортного слоя и слоя услуг, иск­ лючая тем самым их технологическую зависимость друг от друга (рис. В1).

В данной книге рассматриваются основы построения теле­ коммуникационных систем и сетей, т.е. основы построения только транспортных информационных систем и сетей.

Современные телекоммуникационные системы развиваются в следующ их трех основных направлениях:

•глобализация связи;

•персонализация связи;

•мобильность связи.

Это означает, что телекоммуникационные системы должны обеспечивать связь любых абонентов между собой в любом месте земного шара и в любое время.

Из концепции глобальности связи вытекает важная роль меж­ дународных стандартов в области телекоммуникаций, которые публикуются в виде рекомендаций МСЭ для телекоммуникацион­

ных систем. Выполнение рекомендаций МСЭ обеспечивает со­ вместимость разных национальных телекоммуникационных сетей между собой и их включение в единую глобальную телекоммуни­ кационную сеть, а также совместимость телекоммуникационной аппаратуры различных изготовителей.

Концепция персонализации связи подразумевает присвоение номера (телефонного, компьютерного) не аппарату, а человеку с тем, чтобы с человеком можно было связаться, где бы он ни нахо­ дился: в автомобиле, в самолете, в другой стране мира и пр., по одному и тому же универсальному номеру. Персонализация связи является одной из самых амбициозных задач человеческого сооб­ щества.

Концепция мобильности связи связана с концепцией персона­ лизации связи и подразумевает, согласно существующей тенден­ ции, что в ближайшей перспективе количество мобильных терми­ налов в мире значительно превзойдет количество стационарных терминалов и мобильная связь будет самым массовым видом свя­ зи. Подразумевается конвергенция телекоммуникационных услуг в сетях мобильной и стационарной связи, т.е. ставится задача обес­ печения в сетях мобильной связи таких же телекоммуникацион­ ных услуг и того же качества, которые предоставляются в стацио­ нарных телекоммуникационных сетях.

Проблематика телекоммуникаций бесконечно широка и мно­ гогранна. Не все фундаментальные вопросы построения телеком­ муникационных систем и сетей вошли в данную книгу. М атериал книги включает шесть основных тем:

1.Телекоммуникационные сети.

2.Первичные электрические сигналы и каналы связи для их передачи.

3.Радио- и оптические каналы передачи информации.

4.Радиорелейные системы связи.

5.Спутниковые системы связи и вещания.

6.Наземные сотовые системы мобильной и персональной ра­ диосвязи.

Другие фундаментальные темы по основам построения теле­ коммуникационных систем и'сетей посвящены вопросам: 1) по­ строения компьютерных сетей; 2) защиты информации и защиты радиоканалов телекоммуникационных систем от преднамеренных помех. Эти темы читаются в вузах в других курсах лекций и за­ служивают отдельных публикаций.

Г п а в а 1

ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ СЕТИ

1.1. Телекоммуникационные системы и сети. Основные понятия

Телекоммуникации или связь - это область техники, кото­ рая занимается вопросами передачи сообщений от некоторых ис­ точников сообщений к получателям сообщений, находящимся на некотором расстоянии, часто большом, от источников сообщений (отсюда приставка "теле-"). Передача сообщений производится по некоторому каналу связи, проводному или беспроводному (радио-, оптическому атмосферному или космическому каналу и др.).

Источники сообщений создают некие сообщения различной физической природы (звук, оптическое изображение, механиче­ ские перемещения и др.), которые преобразуются в электрические сигналы для передачи их по каналу связи. Характер сообщений и сигналов, их отображающих, определяет название видов связи (табл. 1.1).

Сигналы на выходе источников сигналов называются первич­ ными электрическими сигналами. В литературе по телекоммуни­ кации широко используются термины: "канал связи", "система связи", "телекоммуникационная сеть", "сеть связи".

Термин "связь" —наиболее старый термин, которым пользова­ лись, когда отправителем и получателем сообщений являлся чело­ век. При обмене информацией между компьютерами стали поль­ зоваться более общим термином "телекоммуникации", включаю­ щим старое понятие "связь". В настоящее время в понятие "теле­ коммуникации" входят все виды связи, приведенные в табл. 1.1.

К ан алом связи называется часть линии связи, используемой для передачи одного сообщения от одного отправителя. Линия связи может быть одноканальной или многоканальной.

Также каналом связи называют канал (среду) распространения сигналов (радиоканал, СВЧ канал связи, кабельный канал).

Часто источник сообщения и первичный электрический сиг­ нал для удобства изложения материала объединяют и называют источником сообщения.

Функциональная схема линии связи показана на рис. 1.1.

Puc.l.J. Функциональная схема линии связи

Систем а — объединение нескольких однородных или разно­ родных компонентов в единое целое. Примерами систем являются: система уплотнения и разделения каналов, антенная система, сис­ тема спутниковой связи и др.

Слово "комплекс" чаще всего связывается с аппаратурой (ком­ плекс технических средств, бортовой комплекс аппаратуры и др.).

Телеком м уникационная сеть или сеть связи есть совокуп­ ность линий связи и узлов коммутации или маршрутизации, обра­ зующих топологию сети.

Телекоммуникационные сети классифицируются по различ­ ным признакам. По величине географического охвата территории телекоммуникационные сети делятся на глобальные (примеры се­ тей: Internet, спутниковые сети Intelsat, Интерспутник), нацио­ нальные (например, взаимоувязанная сеть связи Российской Феде­ рации), региональные, местные.

Стехнической точки зрения в самом первом приближении те­ лекоммуникационную сеть удобно рассматривать как состоящую из двух частей: магистральной и сети абонентского доступа из абонентских линий (так называемая "последняя миля"), соеди­ няющих абонентов с магистральной сетью связи.

Рис. 1.2. Функциональная схема телекоммуникационной сети

Функциональная схема телекоммуникационной сети показана на рис Л.2.

Абонентская линия может быть кабельной или радиолинией. Для мобильного терминала абонентская линия всегда является ра­ диолинией. Другим примером абонентской линии служит медная телефонная проводная пара от квартирного телефона до автомати­ ческой телефонной станции (АТС) в городе. Линии связи абонент­ ского доступа являются наиболее дорогостоящей и консерватив­ ной частью телекоммуникационной сети и определяют пропуск­ ную способность "последней мили" и перечень возможных телекоммуникационных услуг в общей телекоммуникационной сети.

По применению телекоммуникационные сети делятся на сле­ дующие классы:

•общего применения (доступны для всех);

•корпоративные или ведомственные —сети Центробанка, Аэ­ рофлота, Министерства путей сообщения, служб скорой помощи,

милиции и др.;

•специальные - сеть связи "Искра", правительственной связи, Минобороны и др.;

•технологические —типа сетей телеметрии и телеуправления промышленными, энергетическими комплексами, трубопроводами

идр.

Основными тенденциями развития телекоммуникационных систем являются, как указано во введении, глобализация, персона­ лизация связи и развитие мобильной связи. Создание новых и со­ вершенствование существующих телекоммуникационных услуг требует непрерывного повышения пропускной способности теле­ коммуникационных систем и сетей, в том числе повышения про­

пускной способности "последней мили" В кабельных телекомму­ никационных сетях эта проблема решается широкомасштабным использованием волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), в том числе и в сетях абонентского доступа путем прокладки ВОЛС до здания, офиса и даже до розетки.

1.2.Взаимоувязанная сеть связи Российской Федерации

Средства электросвязи, включающие в себя линии связи, ап­ паратуру формирования групповых трактов, коммутационные уз­ лы, ЭВМ и другое оборудование, охватывающие территорию Рос­ сии и объединенные в единый автоматизированный комплекс, но­ сят название взаимоувязанной сети связи (ВСС) Российской Федерации. ВСС предназначена для удовлетворения потребностей в услугах связи всех отраслей народного хозяйства и населения страны и является сетью общего пользования.

Основу ВСС составляет первичная (транспортная) сеть, по­ строенная на принципах коммутации каналов. Управление комму­ тацией каналов и соединением абонентов осуществляется с помо­ щью телефонного номеронабирателя. После установления элек­ трического соединения между абонентами по нему возможна передача различного рода информации: телефонного сигнала, фак­ симиле, данных. Кроме этого, в ВСС входят сети распределения звуковых программ вещания и телевидения.

ВСС Российской Федерации строится по территориальному принципу и по этому признаку включает в себя:

•магистральную сеть;

•внутризоновые сети;

•местные первичные сети;

•линии связи абонентского доступа.

Местная сеть - это городские сети и сельские районные сети, соединяющие районный центр с деревнями и поселками.

В нутризоновая сеть объединяет в пределах области город­ ские и сельские сети, соединяя районные центры и города с обла­ стными центрами. Внутризоновая сеть строится по радиально­ узловому (древовидному) принципу. В областном центре устанав­ ливается автоматическая междугородная телефонная станция (АМТС). Топология внутризоновой сети связи показана на рис. 1.3.

М аги стральн ая сеть ВСС соединяет между собой все обла­ стные центры (АМТС) мощными пучками каналов связи.

Внутри России организованы 84 зоны. Абонентам внутризо­ новой сети присваиваются семизначные номера. Исключая первые два номера 8 (междугородная связь) и 0 (специальные сети типа 01