Сети и системы передачи информации

ВВЕДЕНИЕ

Краткая история развития электросвязи. На заре становления че­ловеческого общества общение между людьми было весьма скудным. Во­ткнутая в землю ветка указывала, в каком направлении и на какое расстоя­ние ушли люди; особо положенные камни предупреждали о появлении врагов; зарубки на палках или деревьях сообщали об охотничьей добыче и прочее. Существовала и примитивная передача сигналов на расстояние. Сообщения, закодированные в виде определенного числа выкриков либо ударов барабана с изменяющимся ритмом, содержали ту или иную инфор­мацию.

В десятом томе «Всеобщей истории» древнегреческого историка Полибия (ок. 201-120 гг. до н. э.) описан способ передачи сообщений на рас­стояние с помощью факелов (факельный телеграф), изобретенный алек­сандрийскими учеными Клеоксеном и Демоклитом.

В 1792 году во Франции Клод Шапп создал систему передачи информации при помощи светового сигнала, которая получила название «Оптический телеграф». В простейшем виде это была цепь типовых строений, с расположенными на кровле шестами с подвижными поперечинами, которая создавалась в пределах видимости одно от другого. Шесты с подвижными поперечинами — семафоры — управлялись при помощи тросов специальными операторами изнутри строений. Шапп создал специальную таблицу кодов, где каждой букве алфавита соответствовала определённая фигура, образуемая семафором, в зависимости от положений поперечных брусьев относительно опорного шеста. Система Шаппа позволяла передавать сообщения на скорости два слова в минуту и быстро распространилась в Европе. В Швеции цепь станций оптического телеграфа действовала до 1880 года

В 1800 г. итальянский ученый А. Вольта создал первый химический источник тока. Это изобретение дало возможность немецкому ученому С. Земмерингу построить и представить в 1809 г. Мюнхенской академии наук проект электрохимического телеграфа Телегра́ф (др.-греч. τῆλε — «далеко» + γρᾰ́φω — «пишу»). Телеграф Земмеринга имел много недостатков и не нашел практического применения. Понадобилось 20 лет, чтобы появилась первая практически применимая система телегра­фирования. Ее автор - выдающийся русский ученый П. Л. Шиллинг. В ок­тябре 1832 г. состоялась первая публичная демонстрация электромагнит­ного телеграфа. В том же году с помощью телеграфа Шиллинга была на­лажена связь между Зимним дворцом и Министерством путей сообщения.

Подлинную революцию в деле электросвязи по проводам произвели русский академик Б. С. Якоби и американский ученый С. Морзе, предло­жившие независимо друг от друга пишущий телеграф. Заслугой С Морзе является создание используемой до сих пор телеграфной азбуки, в которой буквы обозначались комбинацией точек и тире.

В 1841 г. Б. С. Якоби ввел в эксплуатацию линию, оборудованную пишущим телеграфом и соединявшую Зимний дворец с Главным штабом. Через два года аналогичная линия протяженностью 25 км была построена между Петербургом и Царским Селом. Первая действующая линия связи в США (Вашингтон-Балтимор, 63 км) начала действовать в 1844 г.

В 1850 г. Б. С. Якоби сконструировал первый буквопечатающий ап­парат, который в 1874 г. был усовершенствован американцем Д. Юзом и французом Ж. Бодо.

В июне 1866 г. была осуществлена прокладка кабеля через Атланти­ческий океан. Европа и Америка оказались связанными телеграфом.

С 1866 г. телеграфные линии потянулись во все концы земного шара, связав между собой страны и континенты.

Рождение телеграфа дало толчок к появлению телефона. Начиная уже с 1837 г. многие изобретатели пытались передать на расстояние чело­веческую речь с помощью электричества. Почти через 40 лет эти опыты увенчались успехом. В 1876 г. американский изобретатель А. Г. Белл запа­тентовал устройство для передачи речи по проводам - телефон. В 1878 г. русский ученый М. Махальский сконструировал первый чувствительный микрофон с угольным порошком, который в модернизированном виде при­меняется во всех современных телефонных аппаратах.

На первых норах для телефонной связи использовались телеграфные линии. Но для улучшения качества связи потребовалось строительство специальных двухпроводных телефонных линий. Такая линия была спро­ектирована в 1895 г. профессором Петербургского электротехнического института П. Д. Войнаровским и построена в 1898 г. между Петербургом и Москвой.

Существенный вклад в усовершенствование телефона внес русский физик П. М. Голубинкий, который в 1886 г. разработал новую схему теле­фонной связи. Согласно этой схеме микрофоны абонентских телефонных аппаратов получали питание от одной (центральной) батареи, расположен­ной на телефонной станции. Эта система была внедрена во всем мире под названием системы ЦБ.

Первые телефонные станции в России были построены в 1882-1883 гг. в Москве, Петербурге, Одессе.

Уже в конце прошлого столетия Земля оказалась опоясанной прово­дами и кабелями, соединяющими города и континенты. Однако проводная связь не могла удовлетворить быстрорастущие потребности промышлен­ности. транспорта и особенно судоходства. В беспроволочной связи остро нуждались мореплаватели и военный флот.

Изобретение радио - заслуга нашего выдающегося соотечественни­ка, талантливого русского ученого А. С. Попова. Первая публичная демон­страция устройства А. С. Попова для приема электромагнитных волн со­стоялась на заседании Русского физико-химического общества 7 мая 1895 г. Этот день и вошел в историю как день изобретения радио. В марте 1896 г. А. С. Попов передал электрическими сигналами без проводов текст, со­стоящий из двух слов («Генрих Герц»), на расстояние всего 250 м. А уже в 1900 г. радиосвязь использовалась на практике при снятии с камней бро­неносца «Генерал-адмирал Апраксин» и при спасении рыбаков, унесенных в море.

В 1913 г. был построен радиотелеграфный завод с радиолаборатори­ей под руководством М. В. Шулейкина, а в 1914 г. в Москве и Петербурге построены первые искровые радиостанции.

Сотрудники созданной в 1918 г. Нижегородской лаборатории (ее воз­главил М. А. Бонч-Бруевич) уже в 1922 г. построили в Москве первую в мире радиовещательную станцию мощностью 12 кВт, а 17 сентября 1922 г. со­стоялась первая передача радиоцентра. К 1924 г. радиовещательные стан­ции появились в Ленинграде и Горьком.

В 1935 г. между Нью-Йорком и Филадельфией вступила в строй ра­диолиния на ультракоротких волнах. Она имела протяженность 150 км. Чтобы перекрыть это расстояние, через 50 и 100 км были построены две промежуточные «релейные» станции, которые принимали ослабленные радиоволны, «заменяли» их новыми и посылали дальше. Сама радиолиния была названа «радиорелейной линией».

Отныне во все концы земного шара протянулись цепочки радиоре­лейных линий. Строительство первой радиорелейной линии в нашей стра­не было осуществлено в 1953 г. между Москвой и Рязанью. «Бип... бип... бип» - эти сигналы услышал 4 октября 1957 г. весь мир. Наступила эра ос­воения космоса. Совсем небольшой срок отделяет нас от этой даты, а на космические орбиты уже запущены тысячи искусственных спутников, ис­правно служащих человеку.

В 1947 г. появилось первое упоминание о разработанной фирмой «Белл» системе с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ). Система оказа­лась громоздкой и неработоспособной. И только в 1962 г. была внедрена в эксплуатацию первая коммерческая система передачи ИКМ-24. В 1965 г. в СССР был запущен искусственный спутник Земли «Молния-1», на борту которого находилась приемопередающая ретрансляционная станция.

В 1960 г. в Америке был создан первый в мире лазер. Это стало возмож­ным после появления работ советских ученых В. А. Фабриканта, Н. Г. Басова и А. М. Прохорова и американского ученого Ч. Таунса, получивших Нобе­левскую премию.

«Обучать» лазеры передаче информации на расстояние стали вскоре после их изобретения. Первые лазерные линии связи появились в начале 60-х it', прошлого столетия. В нашей стране первая такая линия была по­строена в 1964 г. в Ленинграде.

В 1966 г', в Москве между Ленинскими горами и Зубовской площа­дью засветилась красная нить лазерного света, связывающая две городские АТС, находящиеся на расстоянии 5 км друг от друга.

В 1970 г. в американской фирме «Corning Glass Company» было по­лучено сверхчистое стекло. Это дало возможность создать и внедрить по­всеместно оптические кабели связи [1].

Современные тенденции развития электросвязи. В настоящее время связь развивалась по пути оцифрования всех видов информации. Это стало генеральным направлением, обеспечивающим экономичные ме­тоды не только ее передачи, но и распределения, хранения и обработки. Вслед за ИКМ-24 появились ИКМ-30, ИКМ-120, ИКМ-480, ИКМ-1920, а за­тем системы передачи синхронной цифровой иерархии (СЦИ).

Интенсивное развитие цифровых систем передачи объясняется их существенными достоинствами по сравнению с аналоговыми системами передачи: высокой помехоустойчивостью; слабой зависимостью качества передачи от длины линии связи; стабильностью электрических параметров каналов связи; эффективностью использования пропускной способности при передаче дискретных сообщений и др.

Из года в год в стране увеличивается телефонная плотность (число телефонов на сто жителей), но пока Россия еще существенно отстает по этому показателю от промышленно развитых стран. Так, если в промышленно развитых странах этот показатель составляет 46 и более телефонов на 100 жителей, то в России в среднем - 21 телефон. Разработана концепция, намечены сроки ликвидации этого отставания, в результате чего к 2005 г. ко­личество телефонов на сто жителей ожидается 36,9, а к 2010 г. оно должно составить 47,7 аппаратов [2].

На смену телеграфной связи пришли такие виды документальной электросвязи, как передача данных, электронная почта, факсимильная связь.

Успешно развивается российский сегмент сети Интернет, объем ус­луг в котором составил 220 млн долл. и увеличился в 2001 г. по сравнению с 2000 I. на 50 %. Растет количество наименований русскоязычных ресур­сов в сети. Число регулярных пользователей в России к концу 2001 г. - 4.3 млн. человек, а количество хотя бы раз посетивших всемирную сеть превысило 12 млн. За последние два года аудитория российской сети Ин­тернет увеличилась в 2,9 раз. Число пользователей электронной почтой за этот же период выросло в 3 раза. Однако по-прежнему основное количест­во пользователей сосредоточено в крупных и средних городах. Жители Москвы составляют пятую часть общероссийской аудитории [2].

Одновременно с ростом числа услуг связи изменяться их качество - от простого телефонного сервиса до услуг мультимедиа, которые будут обеспечиваться интегральными цифровыми сетями связи.

Особенно быстрыми темпами в мире и у нас в стране идет развитие сети мобильной радиосвязи. Человек с сотовым телефоном, не привязан­ный шнуром к своему месту, превратился в своеобразный символ конца века. Количество людей, пользующихся мобильными телефонами в мире, приближается к 600 млн. По числу абонентов системы мобильной связи уже можно судить об уровне и качестве жизни в данной стране. В этом смысле темпы роста абонентов мобильной связи в России (почти 200 % в год) являются показателем роста благосостояния общества.

Так, 1 января 2001 г. мобильной связью пользовались 3,4 млн рос­сиян, 31 декабря того же года уже 7,8 млн. Именно благодаря столь бур­ному развитию этого рынка, в 2001 г. доходы операторов новых видов связи (сотовой, пейджинговой, спутниковой и т. д.) превысили доходы от услуг фиксированной связи. Оборот «новых» операторов в 2001 г. достиг 101 млрд руб., в то время, как традиционные собрали 85 млрд руб., и это при том, что последние обслуживают 85 % телекоммуникационной инфра­структуры России [2].

Исходя из макроэкономических показателей развития Российской Федерации, определенных в Основных направлениях социально-экономи­ческой политики Правительства Российской Федерации на долгосрочную перспективу, рынок телекоммуникационных услуг к 2010 г. будет характе­ризоваться следующим образом [2]:

Объем капитальных затрат составит за 10 лет около 33 млрд долл. США. Для стран с развитой экономикой развитие телекоммуникаций уже в настоящий момент характеризуется следующими показателями: телефон­ная плотность - 40...60 %, плотность мобильной связи - 25...40 %, плот­ность пользователей Интернета - 20...30 %.

Человечество движется по пути создания Глобального информаци­онного общества. Его основой станет Глобальная информационная инфра­структура, составляющей которой будут мощные транспортные сети связи и распределенные сети доступа, предоставляющие информацию пользова­телям. Глобализация связи и ее персонализация (доведение услуг связи до каждого пользователя) - вот две взаимосвязанные проблемы, успешно ре­шаемые специалистами электросвязи на данном этапе развития человече­ства.

Большинство специалистов сходятся во мнении, что дальнейшая эво­люция телекоммуникационных технологий будет идти в направлениях уве­личения скорости передачи информации, интеллектуализации сетей и обес­печения мобильности пользователей.

Высокие скорости необходимы для передачи изображений, в том числе телевизионных; интеграции различных видов информации в мультимедий­ных приложениях; организации связи локальных, городских и территори­альных сетей.

Интеллектуальность позволит увеличить гибкость и надежность се­ти, сделает более легким управление глобальными сетями. Благодаря ин­теллектуализации сетей, пользователь перестает быть пассивным потреби­телем услуг — превратится в активного клиента, который сможет управлять сетью, заказывая необходимые ему услуги.

Успехи в области миниатюризации электронных устройств, сниже­ние их стоимости создали предпосылки к глобальному распространению мобильных оконечных устройств. Это делает реальной задачу предос­тавления услуг связи каждому в любое время и в любом месте,

Можно отметить, что объем информации, передаваемой через ин­формационно-телекоммуникационную инфраструктуру мира, удваивается каждые 2-3 года. Появляются и успешно развиваются новые отрасли ин­формационной индустрии, существенно возрастает информационная со­ставляющая экономической активности субъектов рынка и влияние ин­формационных технологий на научно-технический, интеллектуальный по­тенциал и здоровье наций. Начало XXI в. рассматривается как эра инфор­мационного общества, требующего для своего эффективного развития соз­дание глобальной информационно-телекоммуникационной инфраструкту­ры, темпы развития которой должны быть опережающими по отношению к темпам развития экономики в целом. При этом создание российской ин­формационно-телекоммуникационной инфраструктуры следует рассмат­ривать как важнейший фактор подъема национальной экономики, роста деловой и интеллектуальной активности общества, укрепления авторитета страны в международном сообществе.

Глава 1 ОБШИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

ПО СИСТЕМАМ И СЕТЯМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

1.1 Основные определения

Информация - это сведения о каких-либо процессах, событиях, фак­тах или предметах [1; 2]. Известно, что 80-90 % информации человек по­лучает через органы зрения и 10-20 % - через органы слуха. Другие орга­ны чувств дают в сумме 1-2 % информации. Физиологические возможно­сти человека не позволяют обеспечить передачу больших объемов инфор­мации на значительные расстояния.

Связь - техническая база, обеспечивающая передачу и прием ин­формации между удаленными друг от друга людьми или устройствами [2]. Отношение между связью и информацией такое же, как между транспор­том и перевозимым грузом. Средства связи не нужны, если нет информа­ции, как не нужны транспортные средства при отсутствии груза.

Сеть связи - это совокупность технических средств, обеспечиваю­щих передачу и распределение сообщений. 1 [ринципы построения сетей связи зависят от вида передаваемых и распределяемых сообщений.

Сообщение - форма выражения (представления) информации удоб­ная для передачи на расстояние. Различают оптические (телеграмма, письмо, фотография) и звуковые (речь, музыка) сообщения. Документаль­ные сообщения наносятся на определенные носители (чаще всего на бума­гу) и там же хранятся. Сообщения, предназначенные для обработки в ком­пьютерных информационных системах, принято называть данными.

Информационный параметр сообщения параметр, в изменении ко­торого «заложена» информация. Для звуковых сообщений информацион­ным параметром является мгновенное значение звукового давления, для неподвижных изображений - коэффициент отражения, для подвижных - яркость свечения участков экрана.

По характеру изменения информационных параметров различают непрерывные и дискретные сообщения.

Канал связи - совокупность технических устройств (преобразовате­лей) и среды распространения, обеспечивающих передачу сигналов на рас­стояние.

Каналы и системы связи, использующие искусственную среду рас­пространения (металлические провода, оптическое волокно), называются проводными, а каналы и системы связи, в которых сигналы передаются че­рез открытое пространство - радиоканалами и радиосистемами.

Сигнал — физический процесс, отображающий передаваемое сооб­щение. Отображение сообщения обеспечивается изменением какой-либо физической величины, характеризующей процесс. Эта величина является информационным параметром сигнала.

Сигналы, как и сообщения, могут быть непрерывными и дискретны­ми (рис. 1.1). Информационный параметр непрерывного сигнала с течени­ем времени может принимать любые мгновенные значения в определен­ных пределах (рис. 1.1, а).

t б Рис. 1.1. Виды сигналов: а - непрерывный; б - дискретный

Непрерывный сигнал часто называют аналоговым. Дискретный сиг­нал характеризуется конечным числом значений информационного пара­метра. Часто этот параметр принимает всего два значения (рис. 1.1,6) [2].

В дальнейшем будем рассматривать принципы и средства связи, ос­нованные на использовании электрической энергии в качестве переносчи­ков сообщений, т. е. электрических сигналов. Выбор электрических сигна­лов для переноса сообщений на расстояние обусловлен их высокой скоро­стью распространения (около 300 км/мс).

1.2 Организация стандартизации в области телекоммуникаций

Цель деятельности организаций стандартизации в области телеком­муникаций заключается в создании единых международных стандартов. Отсутствие единых стандартов приводит к несовместимости оборудования различных производителей и, как следствие, невозможности организации международной связи. Организации стандартизации обеспечивают условия для обсуждения прогрессивных технологий, утверждают результаты этих обсуждений в виде официальных стандартов, а также обеспечивают рас­пространение утвержденных стандартов.

Порядок работы организаций стандартизации по принятию стандартов отличается. Однако он схож в том, что производится несколько этапов разработки и обсуждения новых технологий, разработки проектов стандартов, голосования по всем или некоторым аспектам этих стандартов и, на конец, официального выпуска завершенных стандартов.

Наиболее известны следующие организации стандартизации.

Международная организация стандартизации (МОС) (International Standard Organization - ISO) - автор стандартов в различных областях дея­тельности, включая стандарты по телекоммуникациям. Членами ISO явля­ются национальные организации стандартизации. Участие в ISO является добровольным. Наиболее известным стандартом ISO в области телекомму­никаций является эталонная модель взаимодействия открытых систем.

Сектор стандартизации телекоммуникации Международного сою­за электросвязи (МСЭ-Т) (Telecommunication Standardization Sector of In­ternational Telecommunication Union - ITU-T) - специализированный орган ООН, с 1993 г. преемник Международного консультативного комитета по телеграфии и телефонии (МККТТ) (Comite Consultatif International Telegraphique et Telephonique - CCITT) - международной организации, разрабатывающей стандарты в области связи. Стандарты ITU-T называют­ся Рекомендациями (Recommendation). Рекомендации объединены в серии, обозначаемые латинскими буквами. В пределах серии Рекомендации при­сваивается порядковый номер. Обозначение серии и номера Рекомендации отделяются друг от друга точкой, например V.90. Кроме ITU-T, в состав ITU входят Сектор радиосвязи МСЭ-Р (Radiocommunication Sector - ITU-R) и Сектор развития электросвязи (Telecommunication Development Sector ITU-D). Стандарты ITU охватывают практически всю область телекомму­никаций.

Институт инженеров по электротехнике и электронике (Institute of Electrical and Electronic Engineers - IEEE) - профессиональная организация, разрабатывающая стандарты для сетей. Стандарты локальных сетей LAN являются наиболее известными стандартами IEEE по телекоммуникациям.

Европейский институт стандартизации электросвязи (European Telecommunications Standards Institute - ETSI) определяет единую техниче­скую политику в области телекоммуникаций для стран-членов Европей­ского сообщества. Наиболее известным стандартом ETSI является стандарт сотовой системы подвижной радиосвязи GSM.

Европейская конференция администраций почт и электросвязи (Conference of European Posts and Telegraphs - CEPT).

Американский национальный институт стандартизации (American National Standard Institute ANSI) - координирующий орган добровольных групп по стандартизации в пределах США. ANSI является членом ISO. Широко известен стандарт ANSI по коммуникациям FDDI.

Ассоциация телекоммуникаций промышленности (Telecommunica- Industrial Association - TIA) - одна из групп ANSI, выпускающая стандарты по телекоммуникациям. Самым известным стандартом TIA является стандарт сотовой системы подвижной радиосвязи США IS-54.

Ассоциация электронной промышленности (Electronic Industrial As­sociation - EI А) - одна из групп ANSI.

Федеральная комиссия по связи (Federal Communication Commission - FCC) США - правительственная организация США., занимающаяся регу­лированием в отрасли связи, в том числе распределением спектра радио­частот

Совет по регуляции работы Internet (Internet Activities Board - IAB) определяет основную политику в области глобальной сети internet. Вклю­чает в себя два подкомитета: исследовательский - Internet Research Task Force (IRTF) и стандартизации - Internet Engineering Task Force (IETF). Стандарты IAB называются «Request for Comments» (RFC) (Запрос для комментария).

Производители оборудования телекоммуникаций, заинтересованные в быстром продвижении некоторой конкретной технологии, также создают организации стандартизации в данной области. В качестве примера можно привести такие организации, как Форум ATM, Форум Frame Relay, Альянс Gigabit Ethernet и пр.

В нашей стране работы по стандартизации и регулированию в об­ласти связи наряду с Государственным комитетом по стандартизации, метрологии и сертификации (Госстандартом) проводят Минсвязи РФ и его подразделения: Государственная комиссия по электросвязи (ГКЭС), Го­сударственная комиссия по распределению частот (ГКРЧ) и Главгоссвязьнадзор.

Поиск по сайту: