Б. С. Гольдштейн, Н. А. Соколов, Г. Г. Яновский
СЕТИ СВЯЗИ
Учебник для студентов, обучающихся по специальности
210406 – «Сети связи и системы коммутации» и по другим
междисциплинарным специальностям телекоммуникационного
направления базового высшего образования
Санкт-Петербург
«БХВ-Петербург»
2014 14
ГРНТИ 49.33.29
УДК 621.394/.395/.39688 (0 75) ББК 32.883 О 75 O 75 Б.С. Гольдштейн, Н.А. Соколов, Г.Г. Яновский. Сети связи:
Учебник для ВУЗов. СПб.: БХВ-Петербург, 20104. – 400 с., илл.
ISBN 978 5 9775 0474 4 Книга является учебником по современным сетям связи. Она будет полезна студентам, бакалаврам и магистрам, а также аспирантам, исследования которых прямо или косвенно затрагивают разные аспекты построения, эксплуатации и развития телекоммуникационных сетей. Инженеры и менеджеры, работающие в области электросвязи, тоже найдут для себя полезные сведения. Процессу усвоения пройденного материала, несомненно, будут способствовать помещенные после каждой лекции ключевые слова, контрольные вопросы, задачи и упражнения, дополнительная литература.
В учебнике рассматриваются три сети, создававшиеся для поддержки следующих видов обслуживания: фиксированная телефонная связь, мобильные коммуникации и документальная электросвязь. Для каждой из трех сетей изложены идентичные по своему характеру базовые принципы построения и функционирования.
Сформулирована основная цель дальнейшего развития трех рассматриваемых сетей – переход к сети связи следующего поколения, известной по аббревиатуре NGN (Next Generation Network).
ББК 32. Учебное издание Рецензенты:
Кафедра АЭС МТУСИ, зав. кафедрой, кандидат технических наук, профессор А.П. Пшеничников Кафедра АЭС СибГУТИ, зав. кафедрой, доктор технических наук, профессор В.В. Лебедянцев Регистрационный номер МГУП рецензии ГОУ «Московский технический университет связи и информатики» _ ISBN 978 5 9775 © Гольдштейн Б.С., Соколов Н.А., Яновский Г.Г., Содержание Предисловие
Лекция 0. Вводная
0.1. Преамбула
0.2. Теорема Котельникова
0.3. Стандартизация в области электросвязи
0.4. Конвергенция сетей связи
0.5. Об этой книге
Часть 1. Телефонная сеть общего пользования Лекция 1. Эволюция телефонных сетей
1.1. Базовые понятия
1.2. Краткий исторический экскурс
1.3. Основные термины
1.4. Единая сеть электросвязи Российской Федерации.................. 1.5. Статистика телефонной сети
Ключевые слова
Контрольные вопросы
Задачи и упражнения
Литература к лекции 1
Лекция 2. Структура телефонной сети общего пользования
2.1. Уровни иерархии в ТфОП
2.2. Местные телефонные сети
2.2.1. Городские телефонные сети
2.2.2. Сельские телефонные сети
2.3. Зоновые телефонные сети
2.4. Междугородная и международная телефонные сети................ Ключевые слова
Контрольные вопросы
Задачи и упражнения
Литература к лекции 2
Лекция 3. Сетевые технологии
3.1. История развития сетевых технологий в ТфОП
3.2. Технологии передачи информации
3.3. Синхронизация
3.4. Технологии коммутации каналов
3.5. Цифровизация городских телефонных сетей
4 Содержание 3.6. Цифровизация сельских телефонных сетей
Ключевые слова
Контрольные вопросы
Задачи и упражнения
Литература к лекции 3
Лекция 4. Системы сигнализации ТфОП
4.1. Роль сигнализации в телефонной сети
4.2. Эволюция систем сигнализации
4.3. Общий канал сигнализации
4.4. Сеть сигнализации
Ключевые слова
Контрольные вопросы
Задачи и упражнения
Литература к лекции 4
Лекция 5. Система и план нумерации
5.1. Некоторые определения
5.2. Действующий план нумерации ЕСЭ РФ
5.3. Особенности нумерации в российской телефонной сети......... 5.4. Перспективный план нумерации для ЕСЭ РФ
Ключевые слова
Контрольные вопросы
Задачи и упражнения
Литература к лекции 5
Лекция 6. Средства поддержки услуг
6.1. Принципы интегрального обслуживания
6.2. Концепция Интеллектуальной сети
6.3. Средства компьютерной телефонии
Ключевые слова
Контрольные вопросы
Задачи и упражнения
Литература к лекции 6
Лекция 7. Услуги, поддерживаемые ТфОП
7.1. Классификация услуг, предоставляемых ТфОП
7.2. Дополнительные услуги в телефонии
7.3. Особенности предоставления услуг в СТС
7.4. Перспективы развития рынка услуг ТфОП
Ключевые слова
Контрольные вопросы
Задачи и упражнения
Литература к лекции 7
Лекция 8. Качество обслуживания в ТфОП
8.1. Основные понятия
8.2. Качество обслуживания вызовов
8.3. Качество телефонной связи
Ключевые слова
Контрольные вопросы
Задачи и упражнения
Литература к лекции 8
Лекция 9. Задачи анализа и проектирования ТфОП........ 9.1. Основные направления исследований в телефонии.............. 9.2. Место установки коммутационной станции и ее емкость........ 9.3. Оценка необходимых транспортных ресурсов
9.4. Нормирование показателей качества обслуживания в ЧНН.... Ключевые слова
Контрольные вопросы
Задачи и упражнения
Литература к лекции 9
Лекция 10. Перспективы развития ТфОП
10.1. Направления эволюции телефонии
10.2. Системные аспекты развития телефонной связи
10.3. Сетевые аспекты развития телефонной связи
10.4. Пример воздействия внешних факторов: переход к NGN....... Ключевые слова
Контрольные вопросы
Задачи и упражнения
Литература к лекции 10
Часть 2. Сети подвижной связи
Лекция 11. Эволюция систем радиосвязи
11.1. Конвергенция сетей подвижной и фиксированной связи........ 11.2. Системы радиосвязи
11.2.1. Бесшнуровые телефонные системы
11.2.2. Пейджинговые системы
11.2.3. Транкинговые системы
11.2.4. Беспроводные компьютерные сети
11.2.5. Спутниковая связь
11.2.6. Системы сотовой связи
11.3. Краткий исторический экскурс
11.4. Основные понятия и термины
11.5. Способы доступа к СПС
11.6. Международные и национальные стандарты
11.6.1. Еще раз об ITU T
11.6.2. Роль ETSI в мобильной связи
11.6.3. Проект партнерства 3-го поколения
11.6.4. Проект 2 партнерства 3-го поколения
11.6.5. Национальные стандарты
Ключевые слова
Контрольные вопросы
Задачи и упражнения
Литература к лекции 11
Лекция 12. Поколения сетей сотовой связи
12.1. Первое поколение 1G
12.2. NMT 450
12.3. Система AMPS
12.4. Система второго поколения D AMPS
12.5. Стандарт CDMA
12.6. Системы 2,5G
12.7. Мобильная связь третьего поколения 3G
12.8. Мобильная связь четвертого поколения 4G
Ключевые слова
Контрольные вопросы
Задачи и упражнения
Литература к лекции 12
Лекция 13. Сетевая технология GSM
13.1. Введение в GSM
13.2. Структура сети GSM
13.3. SIM карта
13.4. Подсистема базовой станции
13.5. Регистр HLR и центр аутентификации AuC
13.6. Гостевой регистр VLR
13.7. Центр коммутации MSC
13.8. Функция взаимодействия IWF
13.9. Регистр идентификации оборудования EIR
13.10. SMS-центр
Ключевые слова
Контрольные вопросы
Задачи и упражнения
Литература к лекции 13
Лекция 14. Системы сигнализации СПС
14.1. Мобильные приложения стека протоколов ОКС
14.2. Модель протокола МАР
14.3. Интерфейсы А, В, Аbis
14.4. Обновление данных о местонахождении абонента с помощью MAP
14.5. Входящий вызов в СПС из ТфОП
14.6. Исходящий вызов из СПС в ТфОП
Ключевые слова
Контрольные вопросы
Задачи и упражнения
Литература к лекции 14
Лекция 15. Система нумерации СПС
15.1. Отличия нумерации для мобильной связи
15.2. Нумерация в GSM
15.2.1. Идентификатор IMSI
15.2.2. Идентификатор ТMSI
15.2.3. Номер MSISDN
15.2.4. Номер MSRN
15.2.5. Идентификатор IMEI
15.3. План нумерации в сетях подвижной связи
15.4. Нумерация услуг СПС
15.5. Перспективы развития плана нумерации СПС
Ключевые слова
Контрольные вопросы
Задачи и упражнения
Литература к лекции 15
Лекция 16. Технологии и услуги сетей UMTS
16.1. Предпосылки перехода к 3G
16.2. Сети UMTS
16.3. Трафик в UMTS
16.4. Архитектура 3GPP релиз 99
16.5. Архитектура 3GPP релиз 4
16.6. Архитектура All IP по 3GPP релиз 5
16.7. Развитие UMTS в Rel’6, Rel’7 и Rel’8
Ключевые слова
Контрольные вопросы
Задачи и упражнения
Литература к лекции 16
Лекция 17. Услуги, поддерживаемые СПС
17.1. Услуги сетей 3G
17.2. Услуги сетей 2.5G и технология EDGE
17.3. Пакетная сеть GPRS
17.4. Высокоскоростная передача данных HSCSD
17.5. Услуги WAP
17.6. Услуги SMS
17.7. Виртуальная домашняя среда VHE
17.8. CAMEL и протокол CAP
17.9. Услуга Push to talk
Ключевые слова
Контрольные вопросы
Задачи и упражнения
Литература к лекции 17
Лекция 18. Качество обслуживания в СПС
18.1. Основные понятия
18.2. Стандартизация качества обслуживания в СПС
18.3. Критерии качества обслуживания в СПС
18.4. Показатели качества обслуживания в СПС
18.5. Особенности СПС с точки зрения качества обслуживания..... 18.6. Инструментальные средства для оценки QoS
Ключевые слова
Контрольные вопросы
Задачи и упражнения
Литература к лекции 18
Лекция 19. Задачи расчета СПС
19.1. Особенности расчета сетей СПС
19.2. Повторное использование частот в СПС
19.3. Расчет емкости сети подвижной связи
19.4. Оценка пропускной способности транспортной сети в GPRS. Ключевые слова
Контрольные вопросы
Задачи и упражнения
Литература к лекции 19
Лекция 20. Перспективы развития СПС
20.1. Перспективы сетей подвижной связи
20.2. Эволюция технологий СПС
20.3. Технологии 4G
20.4. Концепция IMS
20.5. Архитектура IMS
20.6. Плоскость управления IMS
20.7. Плоскость приложений (услуг)
Ключевые слова
Контрольные вопросы
Задачи и упражнения
Литература к лекции 20
Часть 3. Сети документальной электросвязи.. Лекция 21. Эволюция сетей передачи данных
21.1. Принципы коммутации пакетов
21.2. История создания компьютерных сетей
21.3. Модель взаимосвязи открытых систем
21.4. Стандартизация в сетях Интернет
Ключевые слова
Контрольные вопросы
Задачи и упражнения
Литература к лекции 21
Лекция 22. Сети на базе виртуальных соединений........... 22.1. Сети на базе протокола Х.25
22.2. Сети на базе протокола Frame Relay
22.3. Сети АТМ
22.3.1. Введение
22.3.2. Структура ячейки АТМ
22.3.3. Эталонная модель протоколов АТМ
22.3.4. Классы обслуживания на уровне AAL
22.3.5. Классы обслуживания в сети АТМ и показатели качества обслуживания
Ключевые слова
Контрольные вопросы
Задачи и упражнения
Литература к лекции 22
Лекция 23. Сети на базе протоколов ТСР/IP
23.1. Сети Интернет
23.2. Эталонная модель протоколов сети Интернет
23.3. Протоколы стека TCP/IP
23.4. Принципы организации сети Интернет
23.5. Структура заголовков IPv4 и IPv6
23.6. Структура заголовков TCP и UDP
Ключевые слова
Контрольные вопросы
Задачи и упражнения
Литература к лекции 23
Лекция 24. Системы сигнализации VoIP
24.1. Создание архитектуры SIP
24.2. Протокол SDP
24.3. Управления медиашлюзами
24.4. Протокол H.323
24.5. Сигнализация ОКС7 поверх IP
24.5.1. Протокол управления потоками SCTP
24.5.2. Протоколы адаптации M2UA, M2PA и M3UA
24.5.3. Протоколы SUA и IUA
Ключевые слова
Контрольные вопросы
Задачи и упражнения
Литература к лекции 24
Лекция 25. Системы адресации и маршрутизации в СПД 25.1. Нумерация и адресация
25.2. Принципы адресации в сетях IP
25.3. Протоколы поддержки системы адресации
25.4. Принципы маршрутизации датаграмм в сетях IP
25.5. Протоколы маршрутизации
25.6. Концепция ENUM
Ключевые слова
Контрольные вопросы
Задачи и упражнения
Литература к лекции 25
Лекция 26. Технологии поддержки новых услуг в сетях Интернет
26.1. Услуги IP коммуникаций
26.2. Технология VoIP
26.3. Основные функции, реализуемые в сети VoIP
26.4. Архитектура сети VoIP
26.5. Сервер обработки вызовов
26.6. Шлюз
26.7. Особенности применения сети IP для передачи речи............ 26.8. Протокол RTP
26.9. Определение и основные свойства IPTV
26.10. Архитектура IPTV
Ключевые слова
Контрольные вопросы
Задачи и упражнения
Литература к лекции 26
Лекция 27. Традиционные услуги в сетях Интернет........... 27.1. Введение
27.2. Протокол пересылки файлов FTP
27.3. Протокол пересылки гипертекстовых сообщений HTTP и Всемирная паутина
27.4. Протокол электронной почты SMTP
Ключевые слова
Контрольные вопросы
Задачи и упражнения
Литература к лекции 27
Лекция 28. Качество обслуживания в СПД
28.1. Основные проблемы качества обслуживания в сетях IP......... 28.2. Работы ITU T по стандартизации качества обслуживания в IP- сетях
28.2.1. Рекомендация ITU-T Y.1540
28.2.2. Рекомендация ITU-T Y.1541
28.3. Механизмы обеспечения QoS в IP-сетях
28.3.1. Механизмы QoS в плоскости управления
28.3.2. Механизмы QoS в плоскости данных
28.3.3. Механизмы QoS в плоскости менеджмента
28.4. Основные модели обеспечения качества обслуживания в сетях IP
28.4.1. Модель предоставления интегрированных услуг (IntServ) 28.4.2. Модель предоставления дифференцированных услуг... 28.4.3. Механизм многопротокольной коммутации по меткам (MPLS)
28.5. Оценка качества обслуживания в системах VoIP
28.5.1. Субъективные и объективные оценки качества обслуживания
28.5.2. Анализ искажающих факторов, влияющих на качество передачи речи в пакетных сетях
Ключевые слова
Контрольные вопросы
Задачи и упражнения
Литература к лекции 28
Лекция 29. Задачи расчета СПД
29.1. Особенности расчета сетей передачи данных
29.2. Расчет длительности задержек в узле коммутации пакетов.... 29.3. Расчет вероятности потерь в узле коммутации пакетов.......... 29.4. Особенности анализа мультимедийного трафика в сетях IP... 29.5. Распределения для различных приложений в сетях IP............ 29.6. Задержки и потери в системах массового обслуживания, описываемых медленно затухающими распределениями...... Ключевые слова
Контрольные вопросы
Задачи и упражнения
Литература к лекции 29
Лекция 30. Перспективы развития СПД
30.1. Проблемы роста сетей передачи данных
30.2. Переход к протоколу IPv6
30.3. Взрыв трафика IP, рост пропускной способности магистральных сетей и скоростей доступа в Интернет.......... 30.4. Проект Internet2 (сеть Интернет следующего поколения)....... 30.5. Заключительные замечания о будущем сети Интернет.......... Ключевые слова
Контрольные вопросы
Задачи и упражнения
Литература к лекции 30
Лекция 31. Заключительная
31.1. Краткие итоги
31.2. Эволюция сетей доступа
31.3. Система эксплуатационно-технического управления............ 31.4. Глобальная информационная инфраструктура
31.5. Вместо послесловия
Литература к лекции 31
Дополнительная литература
Список сокращений
Предметный указатель
Именной указатель
После знакомства с рукописью «Сети связи» мне захотелось последовать примеру авторов и предварить предисловие эпиграфом. Возможно, читатели вспомнили завершение басни Ивана Андреевича Крылова: «Да только воз и ныне там», но будут не совсем правы. Выбор эпиграфа связан с тем, что каждый из авторов написал несколько книг – в одиночестве или совместно с другими коллегами. Эта книга – их первый совместный труд. Известно, что писать вместе не всегда просто. Иногда – очень непросто. Это утверждение и определило выбор эпиграфа.
Лекции по основным аспектам построения, проектирования и эксплуатации сетей связи в Санкт Петербургском государственном университете телекоммуникаций читают преподаватели двух кафедр – «Сетей связи» и «Систем коммутации и распределения информации». Заведующие этими кафедрами, профессоры Г. Г. Яновский и Б. С. Гольдштейн, а также присоединившийся к ним профессор кафедры «Систем коммутации и распределения информации» Н. А. Соколов, взяли на себя нелегкий труд – написать книгу «Сети связи», которая будет полезна и как учебник.
Последний раз учебник подобного рода был опубликован более двадцати пяти лет назад. Понятно, что произошли радикальные изменения практически во всех элементах сетей связи. Более того, появились новые сети и телекоммуникационные технологии, о которых двадцать пять лет никто не помышлял. Не только новые идеи и современные технологии стимулировали авторов. Сформировались новые подходы к обучению, а также иные правила представления информации в учебниках. Эти изменения продиктованы мировыми интеграционными процессами, затронувшими и высшую школу. Учебник отвечает современным требованиям технического и методологического характера.
Интересен и продуктивен выбранный авторами подход к изложению схожих аспектов в сетях трех видов: фиксированной телефонной связи, мобильных коммуникаций и документальной электросвязи.
Актуален важный постулат излагаемых положений, касающийся сближения трех сетей связи. Сформулирован основной принцип такого объединения – переход к сети связи следующего поколения, известной по аббревиатуре NGN (Next Generation Network).
Авторам удалось логично, компактно и совсем не скучно изложить базовые положения телекоммуникационных технологий и сетевой архитектуры, включая самые современные. Причем сделано это достаточно просто и понятно. Поэтому книга будет одинаково полезна студентам, инженерам, менеджерам, людям, работающим в телекоммуникациях или желающим познакомиться с этой бурно развивающейся индустрией. Процессу усвоения пройденного материала, несомненно, будут способствовать помещенные после каждой лекции ключевые слова, контрольные вопросы, задачи и упражнения, дополнительная литература.
Внимательно прочитав эту книгу, я не мог не испытать гордости за то, что она родилась именно у нас – в Санкт Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф.
М. А. Бонч Бруевича. Разумеется, учебник написан признанными в отрасли специалистами, профессорами, докторами наук, ее высокий уровень подтвердили рецензенты, тоже профессора и доктора наук. Но дело не только в этом. Чувствуется, что книга писалась увлеченно, в поисках, в дискуссиях и просто с удовольствием, чему, хочется верить, способствовала и атмосфера нашего общего с авторами Университета.
Теперь дело за студентами. Читайте, задавайте авторам вопросы (для этого ими и дан адрес сайта в Интернет), сами находите ответы в этой книге. Помните, что тот, кто знает, как работают современные телекоммуникационные сети, всегда найдет себе работу, а тот, кто знает, почему они так работают, будет у него начальником. Книга эта и для тех, и для других.
0.1. Преамбула Эта книга написана для студентов, изучающих курс «Сети связи».
Она будет полезна аспирантам, исследования которых прямо или косвенно затрагивают разные аспекты построения, эксплуатации и развития телекоммуникационных сетей. Инженеры и менеджеры, работающие в области электросвязи, тоже найдут для себя полезные сведения.
Термин «Сеть связи» можно рассматривать с двух точек зрения.
Во первых, сеть связи, как самостоятельный объект, представляет собой комплекс технических средств, предназначенный для обмена информацией. Во вторых, сеть связи – один из важных компонентов глобальной информационной инфраструктуры (ГИИ). Последнее понятие введено Международным союзом электросвязи (МСЭ)1 в конце XX века, когда были завершены основные работы по формированию новой парадигмы совместного развития информатики и электросвязи. ГИИ рассматривается как совокупность сетей связи, оборудования пользователей, информационных и людских Задача ГИИ заключается в обеспечении доступа к полезной информации и связи между абонентами, а также в создании качественно новых условий для работы, обучения и развлечений. Функциональные возможности ГИИ должны – в перспективе – предоставляться независимо от времени и места, по приемлемым тарифам и во всемирном масштабе.
В книге используется аббревиатура на английском языке – ITU (International Telecommunication Union).
Начнем с модели, предложенной ITU для анализа телекоммуникационной системы любого вида. Эта модель, представленная на рис. 0.1, содержит четыре компонента, изображенных в виде Сеть в помещении Рис. 0.1. Модель телекоммуникационной системы, предложенная ITU Внутри каждого облака написано его общепринятое название на английском языке. Сверху приведен перевод, который обычно используется в отечественной технической литературе. Термин «сеть связи» относится к тем двум компонентам модели, которые входят в сферу ответственности Оператора связи.
В этой книге основное внимание акцентируется на облаке «Core Network» – базовой сети. Иногда эта сеть называется «транзитной», а в ряде ранних материалов ITU – «транспортной».
Согласно приведенному в качестве эпиграфа тезису, следует упомянуть о неком минимуме миниморуме (minimum minimorum) знаний, без которого чтение книги будет малоэффективным.
Во первых, из школьной физики желательно помнить метрические приставки и их эквиваленты, сведенные здесь в табл. 0.1.
Таблица 0.1. Приставки, используемые в метрической системе мер Указаны обозначения, принятые в отечественной и зарубежной литературе; они разделены знаком «/».
Для иллюстрации подобных значений приведем оценки информационных уровней цивилизации, основанные на количестве производимой информации. Эти оценки были предложены в [53]:
• уровень 0 – информационная емкость мозга отдельного человека, составляющая 10 Мбит (107 битов);
• уровень 1 – устное общение внутри общины деревни или племени, для которого объем циркулирующих сведений составляет порядка 1 Гбит (109 битов);
• уровень 2 – письменная культура, примером которой может служить Александрийская библиотека с ее 532 800 свитками, в которых содержались 100 Гбит (1011 битов);
• уровень 3 – книжная культура, включающая в себя также газеты и журналы, суммарный объем которой оценивается в 100 Пбит • уровень 4 – информационное общество электронной обработки данных объемом 10 битов, которому еще не присвоена общепринятая приставка (речь идет о величинах в десятки Йоттабитов Во вторых, каждый из компонентов рассматриваемой модели состоит из некой совокупности элементов, характерными примерами которых служат системы передачи и коммутации, а также линейно кабельные сооружения. Следуя известным общесистемным принципам, эти элементы можно рассматривать как «черные ящики». Для полноценного восприятия материалов, изложенных в следующих тридцати лекциях, целесообразно знать основные принципы функционирования ряда «черных ящиков» – оборудования распределения информации и систем передачи, использующих разные среды распространения сигналов.
В третьих, полезно знать базовые положения, определяющие важнейшие процессы передачи, обработки и распределения информации в современных сетях связи. От читателя, пожалуй, еще потребуется соответствие основным требованиям, которые приведены, например, в [30]:
• общий уровень интеллекта – умение понимать материал, способность воспринимать абстрактные принципы, умение рассуждать и оценивать;
• владение словом – способность понимать значения слов и эффективно пользоваться ими, выражать ясно свои мысли;
• владение числом – способность быстро и верно производить арифметические действия;
• умение быстро читать, способность воспринимать существенные детали в речи, в табличных материалах, печатных текстах.
Отметим, что соответствовать этим базовым требованиям совсем не просто. Нам, авторам, о таких читателях можно только мечтать.
2. Гольдштейн К этим общим базовым знаниям и навыкам полезно прибавить теорему Котельникова и общие подходы к стандартизации сетей связи, чему посвящены следующие разделы этой лекции.
0.2. Теорема Котельникова Многие операции, касающиеся обработки, передачи и распределения информации, заметно упрощаются, если электрический сигнал представлен в двоичной форме, то есть образует последовательность нулей и единиц. Принципы преобразования аналоговых функций в дискретные изучались, по крайней мере, с конца XIX века. Известны, в частности, работы математиков – англичанина Эдмунда Уиттекера и француза Эмиля Бореля, опубликованные в начале прошлого столетия.
В двадцатом столетии была доказана теорема, которой мы пользуемся в настоящее время. Доказательство теоремы было сделано независимо друг от друга шведским специалистом Гарри Найквистом, работавшим в знаменитой Лаборатории Белла, нашим соотечественником академиком Владимиром Александровичем Котельниковым и американским ученым Клодом Шенноном. В отечественной технической литературе чаще других используется название «Теорема Котельникова».
Суть теоремы Котельникова можно сформулировать следующим образом. Допустим, что аналоговый сигнал имеет спектр, ограниченный сверху частотой Fмах. Такой сигнал может быть однозначно представлен дискретными отсчетами, которые взяты с периодом Отсчеты аналогового сигнала, взятые через промежутки времени, которые кратны периоду дискретизации, обычно округляются до ближайшей величины из множества фиксированных дискретных значений. Эта процедура называется квантованием. В сетях телефонной связи используется канал тональной частоты, для которого Fмах=3,4 кГц. Для упрощения частота дискретизации принимается равной 2х4 кГц=8 кГц. Иными словами, каждую секунду производится 8000 отсчетов аналогового сигнала.
В результате проведенных исследований было установлено, что для нормальной телефонной связи количество фиксированных дискретных значений сигнала можно ограничить числом 256.
Для перехода от дискретного сигнала к цифровому каждый отсчет можно кодировать при помощи восьми элементов (битов). Это означает, что вместо аналогового сигнала может быть передана последовательность дискретных сигналов со скоростью, равной произведению 8 кГц на 8 битов, то есть 64 кбит/с.
0.3. Стандартизация в области электросвязи ITU – старейшая международная организация, занимающаяся разработкой рекомендаций, которые призваны обеспечить взаимодействие телекоммуникационных сетей разных стран. Формально эти рекомендации нельзя считать стандартами. Тем не менее, подавляющее большинство стран рассматривает рекомендации ITU именно как стандарты. Такая практика позволяет Операторам сетей электросвязи экономично обеспечивать взаимодействие телекоммуникационных систем, а производителям оборудования – продавать его на рынках других стран без существенной адаптации к национальным стандартам или стихийно принятым решениям.
В мае 1865 года в Париже была подписана конвенция о создании Международного Телеграфного Союза – International Telegraph Union. Россия была одной из стран, которые учредили эту межправительственную организацию. Конференция, состоявшаяся в 1932 году в Мадриде, решила объединить Международный Телеграфный Союз с аналогичной организацией, занимающейся вопросами радиосвязи. В результате появилось название ITU – International Telecommunication Union. Примечательно, что это преобразование не потребовало изменения аббревиатуры на английском языке – ITU. С 1947 года статус ITU изменился. Он стал специализированным учреждением Организации Объединенных Наций. Штаб квартира ITU с 1948 года расположена в Женеве.
В настоящее время (после ряда структурных изменений) основные рабочие органы ITU представлены тремя секторами:
• стандартизации электросвязи (ITU T);
• радиосвязи (ITU R);
• развития электросвязи (ITU D).
В каждом из трех секторов образован ряд исследовательских комиссий, в которых ведется основная деятельность, связанная с разработкой рекомендаций и иных документов ITU. Следует отметить, что ITU работает в тесном контакте с рядом других международных, европейских, северо американских и азиатских организаций, прямо или косвенно вовлеченных в работы, относящиеся к стандартизации в области связи.
С точки зрения вопросов развития телекоммуникационных сетей наибольший интерес представляют рекомендации сектора стандартизации электросвязи.
Перечень исследовательских комиссий сектора стандартизации электросвязи и названия серий рекомендаций, выпускаемых ITU, можно найти на сайте: http://www.itu.int. Там же размещены полезные документы, разработанные ITU.
В 1988 году был учрежден Европейский институт телекоммуникационных стандартов – ETSI. Его стандарты призваны обеспечить совместимость разных национальных систем электросвязи, что, в свою очередь, рассматривается как одно из условий эффективности интеграционных процессов в Европе.
Формально стандарты ETSI обязательны только для европейских стран. Ряд организаций, которые расположены за пределами Европы, стали членами ETSI. Этот факт обусловлен рядом причин, среди которых следует отметить эффективность работы ETSI и важный вклад Европы в развитие международных телекоммуникаций.
Основная работа ETSI в области стандартизации ведется техническими комитетами. Их перечень приведен на сайте:
http://www.etsi.org. На этом же сайте можно найти подробную информацию, касающуюся организационных и технических аспектов ITU и ETSI по многим проблемам работают согласованно. Кроме того, они плодотворно сотрудничают с другими международными организациями. В частности, ITU и ETSI координируют свои работы с Международной организацией стандартизации (ISO), с Международной электротехнической комиссией (IEC), с организацией IETF (Internet Engineering Task Force), отвечающей за разработку стандартов для сети Интернет, а также с рядом консорциумов и Принципы построения и эксплуатации отечественных телекоммуникационных сетей определяются Администрацией связи России. С весны 2008 года эти функции выполняет Министерство связи и массовых коммуникаций Российской Федерации.
0.4. Конвергенция сетей связи Следует обратить внимание на тот уровень развития телекоммуникаций, который соответствует времени публикации этой книги.
Обратимся к рис. 0.2. Он иллюстрирует три важные фазы эволюции сетей электросвязи, обеспечивающих интерактивные услуги, то есть возможность обмена информацией3.
К началу XXI века существовали три отдельных сети электросвязи. Их разделение обусловлено функциональными задачами, хотя эти сети иногда используют общие ресурсы (например, цифровые тракты, созданные в одном кабеле).
Сети звукового и телевизионного вещания, предназначенные для распределения информации, то есть для односторонней передачи ее от источника к получателям, в этой книге не рассматриваются.
Отдельные сети Тем не менее, телефонная сеть общего пользования (ТфОП), сеть подвижной связи (СПС) и сеть документальной электросвязи (СДЭ)4 – три разных объекта. Такова реальность мира телекоммуникаций начала ХХI века. В книге каждой из этих трех сетей (ТфОП, СПС и СДЭ) посвящено по десять лекций.
В начале текущего столетия началось сближение трех раздельных сетей. Такой процесс называют конвергенцией. Определения, которые были предложены ITU для терминов «конвергентная сеть»
и «конвергентные услуги», позволяют сделать вывод, что речь идет о процессах объединения (интеграции) сетей. Центральная часть рис. 0.2 отражает сегодняшнюю фазу конвергенции сетей за счет частичного (весьма небольшого) пересечения трех эллипсов, которые соответствуют ТфОП, СПС и СДЭ.
Результатом процесса конвергенции станет практически полное объединение сетей – правая часть рассматриваемого рис. 0.2.
В итоге сформируется сеть следующего поколения (ССП), пока более известная по англоязычной аббревиатуре NGN (Next Generation Network). В книге будет, в основном, использоваться сокращение NGN, привычное для большинства специалистов.
Процессу конвергенции в электросвязи свойственны очень интересные явления, которые служат современными примерами законов развития больших и сложных систем. В частности, по мере становления СДЭ связисты пытались с помощью разнообразных модемов, размещаемых отдельно или внутри телефонных аппаратов, факсимильных терминалов и персональных компьютеров, передавать дискретную информацию через ТфОП и (позже) СПС, созданные первоначально для передачи речи.
В конце XX века начался обратный процесс: переход к преобразованию речи в данные и их передача по цифровым сетям, изначально ориентированным на обмен дискретной информацией в форме пакетов.
Такое название сети определено образовательным стандартом. В технической литературе обычно используется термин «сети передачи данных».
Еще один переход – от информации одного вида (media) к мультимедиа. Речь идет о возможности обмена несколькими видами информации и о персональном управлении тем, что именно использует абонент для коммуникации, когда он это использует и в каком сочетании. В зависимости от ситуации и личных предпочтений абонент делает свой индивидуальный выбор из различных форм представления информации. Он может, например, услышать текст лекции в аудитории, прочитать его на экране, посмотреть о нем видеозапись или использовать некоторые комбинации этих возможностей.
0.5. Об этой книге О том, для кого эта книга, было сказано в самом начале лекции.
О чем она, показано на первом рисунке (рис. 0.1). Находящееся в его центре и выделенное утолщенной линией облако Core Network составляет рассматриваемый в книге объект.
Центр следующего рисунка (рис. 0.2) показывает, в какой временной период следует читать эту книгу. Это отнюдь не означает, что после 2020 года в нее не будет нужды заглядывать. Есть все основания считать, что три сети: ТфОП, СПС и СДЭ просуществуют значительно дольше, как бы нам, связистам и абонентам, ни хотелось ускорить процесс их конвергенции.
Книга написана так, что ее можно читать как вдоль (лекции с нулевой по тридцать первую последовательно), так и поперек. Это высказывание заслуживает более подробного пояснения. Для чтения вдоль вся книга разделена на три части по десять лекций (глав) Первая часть (лекции 1 – 10) посвящена телефонным сетям общего пользования, вторые десять лекций (с 11 по 20) – сетям подвижной связи, а последняя, третья часть лекций (с 21 по 31) – сетям документальной электросвязи.
Книгу можно читать и поперек. В лекциях 1, 11 и 21 рассмотрены эволюция и основные понятия сетей ТфОП, СПС и СДЭ. Там же вводятся основные термины для соответствующих сетей, рассматриваются международные рекомендации и стандарты (ITU и ETSI в лекции 1, а в дополнение к ним – 3GPP в лекции 11 и IETF в лекции Сетевым аспектам ТфОП, СПС и СДЭ посвящены лекции 2, и 22, а сетевые технологии рассмотрены в лекциях 3, 13 и 23. При этом лекция 2 посвящена архитектуре фиксированной телефонной сети, а лекция 12 – из второй части книги – охватывает разные поколения сетей подвижной связи 1G, 2G, 2,5G и 3G.
Лекция 13 целиком сосредоточена только на одной сетевой технологии – технологии GSM. В третьей части лекция 22 описывает виды сетевой архитектуры с виртуальными каналами, а лекция целиком посвящена протоколам TCP/IP, определяющим архитектуру сети Интернет.
Протоколы сигнализации сетей связи последовательно описаны в лекциях 4, 14 и 24, а лекции 5, 15 и 25 посвящены нумерации и адресации – в ТфОП, СПС и СДЭ соответственно.
Тема лекций 6, 16 и 26 – технологии поддержки новых телекоммуникационных услуг. Для ТфОП – это рассматриваемые в лекции технологии цифровой сети интегрального обслуживания, Интеллектуальной сети и компьютерной телефонии. Лекция 16 практически полностью посвящена средствам поддержки услуг СПС третьего поколения UMTS, а лекция 26 – поддержке передачи речи (VoIP) и телевидения (IPTV) по IP сетям.
Сами же телекоммуникационные услуги рассматриваются в лекциях 7, 17 и 27, а проблемы оценки качества обслуживания (QoS) – в лекциях 8, 18 и 28. Аспекты исследования и расчета сетей связи рассматриваются в лекциях 9, 19 и 29, а завершающие каждую из трех частей лекции 10, 20 и 30 посвящены перспективам ТфОП, СПС и СДЭ. В последней лекции 31 упомянуто то, что не уместилось в предыдущих лекциях. В дополнение к этому «продольно поперечному» подходу в книге есть еще некоторые особенности. Авторы вместе (да и каждый в отдельности) столько лет читают курсы лекций по сетям связи, что с учетом накопленного опыта позволили себе несколько отступить от традиций. В конце (а не в начале, как делается обычно) каждой лекции приводятся используемые ключевые слова. Они позволяют читателю еще раз осмыслить содержание и основные положения прочитанной лекции. После ключевых слов в конце каждой лекции (кроме этой) приводятся – тоже отмеченные специальными значками – контрольные вопросы, задачи и упражнения, а также перечень дополнительной литературы к каждой лекции.
Ключевые слова Контрольные вопросы Задачи и упражнения Литература к лекции Более подробный список использованных источников приведен в конце книги. Там же помещены именной и предметный указатели.
В дополнение к этому на сайте http:// www.niits.ru можно найти рекомендации и обсудить разные аспекты выполнения упражнений и решения задач, приведенных в конце лекций.
Телефонная сеть общего пользования 1.1. Базовые понятия Термин «телефония» давно используется в профессиональном лексиконе связистов. ITU T определяет телефонию как вид электросвязи, предназначенный, прежде всего, для обмена информацией в форме речи. Телефонная сеть устанавливает соединения, позволяющие передавать практически любую информацию в полосе пропускания канала тональной частоты (ТЧ). Эта полоса определена в диапазоне от 0,3 до 3,4 кГц.
ITU T предусматривает возможность использования так называемой широкополосной телефонии, когда речь передается в полосе пропускания, которая превышает диапазон канала ТЧ (например, от 0,1 до 7,0 кГц). Такая услуга предоставляется, в частности, цифровой сетью интегрального обслуживания ISDN (Integrated Services Digital Network), принципы построения которой рассматриваются в шестой лекции.
В первых десяти лекциях рассматривается ТфОП – телефонная сеть общего пользования. Последние два слова, выделенные курсивом, подчеркивают тот факт, что к сети может подключиться любой абонент, соблюдающий правила, которые оговариваются стандартным договором с Оператором (эксплуатационной компанией).
Такой принцип подключения к сети иногда называют недискриминационным. Существует ряд телефонных сетей, предназначенЧасть 1. Телефонная сеть общего пользования ных для обслуживания ограниченных групп пользователей. С технической точки зрения принципы создания и развития этих сетей и ТфОП стала первой сетью, которая обеспечила диалог (телефонный разговор) в реальном времени. По эффективности коммуникаций телефонный разговор уступает только дискуссии у «классной Другая важная особенность ТфОП заключается в том, что она приносит Оператору связи весьма существенные доходы. Пока их величина превышает доходы от всех остальных видов связи. Говоря о доходах ТфОП, подразумевают трафик речи, который создается терминалами фиксированной и мобильной связи. Аспекты создания сети, которая поддерживает функции мобильности терминала, рассматриваются в одиннадцатой лекции.
Понимал ли Александр Белл, какая судьба уготована его изобретению? До нас не дошли достоверные сведения о его гипотезах, касающихся возможных путей развития телефонной связи. Правда, задолго до изобретения телефона твердую уверенность в возможности общения людей, невзирая на большие расстояния, выразил Леонардо да Винчи1. Пророчество гения сбылось в XX веке.
Базовые принципы создания ТфОП изложены в ряде монографий, опубликованных более двадцати пяти лет назад. В этой книге рассматриваются принципы построения ТфОП с учетом изменений, произошедших в последние десятилетия.
Во вводной лекции было отмечено, что основное внимание уделяется тому элементу телекоммуникационной системы, который назван «Базовой сетью» – Core Network в англоязычной технической литературе. Тем не менее, некоторые сведения, необходимые для изложения материала, содержат информацию о трех других элементах телекоммуникационной системы.
1.2. Краткий исторический экскурс Дату, когда началось формирование ТфОП, установить не так просто. Известно, что в 1876 году Александр Грэхем Белл получил патент на изобретение электромагнитного телефона. Вскоре появились первые телефонные станции. Уже в 1878 году в городе Нью Хейвен (США) открылась первая в мире телефонная станция.
В России на ряде заводов Уфимской губернии телефонные станции для частного применения были установлены в 1880 году. Правда, совокупность подобных станций вряд ли можно рассматривать как Люди будут разговаривать друг с другом из самых отдаленных стран и друг другу отвечать. (Леонардо да Винчи).
Первые в России городские телефонные станции общего пользования появились в 1882 году в Санкт Петербурге, Москве и Одессе, а в 1885 году – в Киеве. Их можно считать элементами будущей ТфОП России. Началось формирование городских телефонных сетей (ГТС). Это означает, что были созданы важные компоненты ТфОП, но отсутствие возможности междугородной связи (и, тем более, международной) не позволяет говорить о рождении ТфОП.
31 декабря 1898 года состоялось официальное открытие междугородной линии телефонной связи между Санкт Петербургом и Москвой – самой длинной в то время в Европе. Эту дату можно считать началом построения российской ТфОП. Постепенно всем абонентам ГТС стала доступна междугородная телефонная связь.
Несколько позже такая возможность появилась у абонентов сельских телефонных сетей (СТС). Эти сети стали создаваться позже, чем были построены первые линии междугородной связи.
В качестве даты рождения международной связи чаще других упоминается 25 декабря 1900 года. В этот день было установлено первое соединение из города Ки Уэст (штат Флорида, США) в столицу Кубы. Расстояние между этими городами было меньше, чем длина линии между Санкт Петербургом и Москвой, введенной в эксплуатацию на два года раньше. Формально в России первая международная линия начала свою работу в 1927 году между Москвой и Варшавой. Правда, связь столицы Российской империи с Гельсингфорсом (ныне столица Финляндии – Хельсинки) была введена в коммерческую эксплуатацию еще в мае 1917 года.
За время более чем столетнего существования ТфОП произошли радикальные изменения в технике телефонной связи, заметно увеличилось количество обслуживаемых абонентов, началось использование ресурсов сети для предоставления обслуживания других видов (например, для передачи факсимильных сообщений и обмена данными). Коммутационную станцию любого типа, как и большинство сложных систем, можно представить в виде двух взаимосвязанных блоков: управляющего и управляемого устройств.
История развития устройств этих двух видов очень интересна.
Первые коммутационные станции предусматривали ручное управление установлением и завершением соединений. В этих станциях функции управления выполнял оператор. Он принимал на слух информацию о номере или ином идентификационном признаке вызываемого абонента и определял совокупность операций, позволяющих оптимально обслужить вызов. Логические функции выполнял человеческий мозг – самое совершенное устройство управления с точки зрения интеллектуальных возможностей. Не случайно в ряде самых современных систем телефонной связи все еще сохраняется ручное обслуживание.
По мере развития ТфОП проявился ряд отрицательных свойств ручного способа установления соединений. Переход к автоматизации ТфОП был обусловлен, по крайней мере, двумя факторами.
Во первых, к работе на телефонных коммутаторах пришлось бы привлечь слишком много людей. Во вторых, человек не может совершать операции так же быстро, как автоматическое устройство.
Иными словами, скорость установления соединения перестала удовлетворять требованиям абонентов ТфОП.
Совершенствование устройств управления было тесно связано с появлением новых поколений автоматических телефонных станций (АТС) электромеханического типа. Для каждого такого поколения (машинные, декадно шаговые и координатные АТС) были разработаны свои устройства управления. Идея применения программного управления родилась в тот период времени, когда дальнейшее совершенствование координатных АТС оказалось нецелесообразным.
Практически в это же самое время основные этапы развития управляющих и управляемых устройств перестали совпадать.
Устройства управления, следуя логике развития вычислительной техники, прошли путь, который можно представить такой последовательностью: централизованные, децентрализованные и распределенные.
Классифицировать управляемые устройства лучше всего по способу построения коммутационного поля. Первым широко используемым коммутационным полем, по всей видимости, стала доска Гилеланда. Она обеспечивала однопроводную коммутацию.
Для декадно шаговых АТС были разработаны искатели. Они делились на два типа: шаговые и декадно шаговые. В этих искателях управляющее и управляемое устройства были объединены в единый Следующее поколение АТС – координатные станции строилось на соединителях. Каждый координатный соединитель можно рассматривать как матрицу с m входами и n выходами.
В координатных АТС управляющие (регистры и маркеры) и управляемые (соединители) устройства были конструктивно отделены друг от друга. Идея построения управляемого устройства на матричных принципах была использована и в следующем поколении АТС – квазиэлектронных станциях. Каждый коммутационный элемент подобного устройства (геркон или гезакон) представлял собой миниатюрный стеклянный баллон, внутри которого были помещены контактные пружины. Такое решение существенно улучшило качество цепи, образованной при замыкании контактов геркона или гезакона.