Основы построения инфокоммуникационных систем и сетей

Министерство образования и науки Российской Федерации

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

А. В. Пуговкин

ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ
ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫХ
СИСТЕМ И СЕТЕЙ

Учебное пособие

Томск
«Эль Контент»
2014

УДК
[621.39 + 654.1](075.8)
ББК
32.88я73
П 880

Рецензенты:

Богомолов С. И., канд. техн. наук, доцент кафедры телекоммуникаций и основ
радиотехники ТУСУРа;

Бацула А. П., канд. техн. наук, советник генерального директора
научно-производственной фирмы «Микран».

Пуговкин А. В.
П 880
Основы построения инфокоммуникационных систем и сетей : учебное
пособие / А. В. Пуговкин. — Томск : Эль Контент, 2014. — 156 с.

ISBN 978-5-4332-0148-4

В основу учебного пособия положены материалы лекционных и практических занятий, проводимых автором на радиотехническом факультете и на
факультете вычислительных систем Томского университета систем управления и радиоэлектроники.

Рассмотрены основные принципы построения телекоммуникационных
систем, дана их классификация, представление о модели взаимодействия
открытых систем. Приводится информация по сигналам и каналам электрической связи. Рассмотрены аналоговые системы передачи на базе частотного
разделения каналов и цифровые системы передачи (плезиохронная и синхронная цифровые иерархии). Приведены описания и основные характеристики линий связи на симметричном кабеле и волоконнооптические линии
связи. Описаны системы распределения информации с пространственной
и временной коммутацией. Рассмотрены системы распределения для сетей
передачи данных.

УДК
[621.39 + 654.1](075.8)
ББК
32.88я73

ISBN 978-5-4332-0148-4
©
Пуговкин А. В., 2014

©
Оформление.
ООО «Эль Контент», 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение
5

1
Телекоммуникационные системы (ТС)
13

1.1
Каналы, тракты, системы и сети передачи информации . . . . . . . .
13

1.2
Основные принципы построения телекоммуникационных сетей . . .
18

1.2.1
Функциональные признаки
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18

1.2.2
Иерархические признаки (территориальные)
. . . . . . . . . .
20

1.2.3
Стандартизация телекоммуникационных сетей и систем . . .
22

2
Сигналы и каналы электрической связи
26

2.1
Сигналы электросвязи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26

2.1.1
Энергетические характеристики сигналов . . . . . . . . . . . .
26

2.1.2
Временные и спектральные характеристики первичных
сигналов электросвязи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27

2.1.3
Параметры сигнала с точки зрения его передачи по каналу
связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28

2.1.4
Сравнительная характеристика сигналов электросвязи
. . . .
30

2.2
Двусторонняя передача
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
30

2.2.1
Двусторонняя передача с 4 проводным окончанием . . . . . .
30

2.2.2
Двусторонняя передача с 2 проводным окончанием . . . . . .
31

2.3
Каналы связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33

2.3.1
Аналоговые типовые каналы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33

3
Системы связи с частотным разделением каналов (ЧРК)
36

3.1
Формирование канальных и групповых сигналов . . . . . . . . . . . .
36

3.2
Помехи в аналоговых системах передачи . . . . . . . . . . . . . . . . .
39

3.2.1
Классификация помех . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39

3.2.2
Оценка действия помех . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40

3.2.3
Накопление собственных помех в линейном тракте . . . . . .
41

3.2.4
Переходные помехи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42

3.2.5
Нелинейные помехи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44

4
Цифровые системы передачи (ЦСП)
46

4.1
Принципы цифровой передачи информации
. . . . . . . . . . . . . . .
46

4.1.1
Структурная схема ЦСП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46

4.1.2
Цифровой сигнал
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47

4.1.3
Группообразование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
50

4.1.4
Линейное кодирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51

4.1.5
Модуляция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52

4.1.6
Оконечная станция ЦСП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53

4.1.7
Достоинства и недостатки ЦСП
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
54

4.2
Компандирование в ЦСП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
56

Оглавление

4.3
Линейные коды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
62

4.4
Синхронизация в ЦСП . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
66

4.4.1
Тактовая синхронизация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
68

4.4.2
Цикловая синхронизация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
71

4.5
Формирование группового сигнала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
74

4.5.1
Межсимвольные искажения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
74

4.5.2
Первичный цифровой сигнал (ИКМ-30)
. . . . . . . . . . . . .
77

4.6
Шумы и помехи в цифровых системах передачи . . . . . . . . . . . . .
81

4.6.1
Шумы дискретизации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
81

4.6.2
Шумы квантования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
83

4.6.3
Шумы незагруженного канала
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
85

4.6.4
Шумы ограничения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
86

4.7
Объединение цифровых потоков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
87

4.8
Плезиохронная цифровая иерархия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
90

4.9
Синхронная цифровая иерархия (SDH) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
92

5
Линии связи
105

5.1
Кабельные линии связи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

5.2
Линии связи на симметричном кабеле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

5.3
Волоконнооптические кабели
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

5.3.1
Радиоканалы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

6
Распределение информации в цифровых системах передачи
126

6.1
Коммутация каналов и коммутация пакетов . . . . . . . . . . . . . . . . 126

6.2
Пространственная коммутация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

6.3
Временная коммутация
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

6.4
Распределение информации в сетях передачи данных
. . . . . . . . . 134

6.4.1
Сети с коммутацией пакетов
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

6.4.2
Множественный доступ с контролем несущей
и обнаружением коллизий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

6.4.3
Сети с коммутацией пакетов
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

6.4.4
IP-сети . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

7
Основы построения и перспективы
развития телекоммуникационных сетей
143

7.1
Планирование сетей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

7.2
Примеры телекоммуникационных сетей . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
7.2.1
Цифровая телекоммуникационная сеть SDH . . . . . . . . . . . 145

7.2.2
Сеть передачи данных
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

Заключение
149

Литература
150

Глоссарий
152

ВВЕДЕНИЕ

Настоящее время характеризуется стремительными темпами развития телекоммуникаций. В течение 1020 лет в массовые услуги связи вошли доступ в Интернет
и сотовая связь, факс и электронная почта. За счет внедрения волоконнооптических линий связи, цифровых систем передачи и объемов представляемого трафика
появилось много новых телекоммуникационных технологий: IP-телефония, ADSL,
АТМ и др.

Широкое внедрение компьютеров в производственную деятельность и повседневную жизнь также стимулирует развитие телекоммуникаций, требует существенной скорости передачи информации, повышения качества обслуживания. Цифровые методы обработки телекоммуникационных сигналов, цифровых технологий
распределения информации и управления сетями приводят к слиянию информационных и телекоммуникационных технологий.

Основные услуги телекоммуникаций можно разделить на следующие виды:
• телеметрия,

• телефония,

• радиовещание,

• передача данных ПД (доступ в Интернет, электронная почта и др.),

• телевидение,

• цифровое телевидение.
Эти услуги различаются как по необходимой скорости передачи информации,
так и по времени сеанса. Эти отличия иллюстрируются рисунком 1, из которого следует, что самые низкие скорости передачи и время сеанса требуются для
телеметрии, когда сигналы с нескольких датчиков (давления, температуры, влажности и т. п.) передаются в центр управления. Самые большие объемы скорости
и длительности сеанса необходимы для телевидения (TV), телевидения высокого
качества (TBBK) и скоростного доступа в Интернет. Телефония и радиовещание
занимают промежуточное положение.

Важным выводом из этого рисунка является то, что современные телекоммуникационные системы должны обеспечивать одновременно все эти услуги, передавать низкоскоростные и высокоскоростные потоки в одних и тех же каналах связи.
Да и по времени сеанса требования достаточно жесткие, так как системы должны
работать практически непрерывно с высокой надежностью.

Введение

105

101

10

102

103

104

100
101
104
103
102
106
108
105
107
109

Телеметрия

Радиовещание

Передача
данных

Телевидение

Телевидение
высокого
качества

t, сек

V, Бит/с

0

Рис. 1 – Услуги электросвязи

В развитии электросвязи на современном этапе существует ряд тенденций,
качественно меняющих понятие и содержание привычных для нас услуг телефонии
и телевидения:

1. Цифровизация. Переход к цифровым сигналам обеспечивает высокую помехоустойчивость передачи, повышает ее качество и надежность, существенно сокращает вес и габариты оборудования. Поскольку представление цифрового сигнала
одинаково для всех видов трафика, то это создает реальную платформу для их
объединения в одном канале передачи.

2. Пакетизация. Заключается в том, что цифровой поток разбивается на отдельные порции (пакеты). Каждому пакету добавляется заголовок, в котором содержится адрес получателя. В телекоммуникационной сети каждый пакет может
продвигаться самостоятельно с помощью протоколов маршрутизации. Достоинство
такой технологии заключается в том, что степень загруженности телекоммуникационных каналов приближается к 100%, поскольку в одном канале одновременно
могут передаваться пакеты различных абонентов.

3. Глобализация. Практически телекоммуникационные сети приобретали всемирный характер. Это касается и телефонии, когда мы можем связаться с абонентом
в любой стране, и передачи данных (сеть Интернет). Примерами глобальных сетей
также являются сети сотовой связи (GSM, NMT и др.), сети спутниковой связи.

4. Персонализация. С появлением сотовых телефонов, терминалов спутниковой связи телекоммуникации все больше привязываются не к месту нахождения
терминала (телефонный аппарат, телевизор и т. п.), а к персоне-человеку, который
носит или возит терминал с собой.

5. Мобильность. Эта тенденция существовала и раньше, но сейчас она развивается в массовых средствах связи, благодаря развитию технологий радиосвязи,
которые являются беспроводными и поэтому обеспечивают услугами абонентов,
находящихся в движении, как при перемещении пешком, так и в автомобиле или
даже самолете или космическом аппарате.

6. Интеграция услуг заключается в том, что к абоненту по одной линии связи приходят электрические сигналы разных служб. Здесь с помощью устройства
распределения услуг они разделяются по соответствующим терминальным устрой

Введение
7

ствам (телефонный аппарат, модем, телевизионный приемник и т. д.). Самым радикальным случаем является тот, когда по линии связи одновременно приходят
услуги телефонии, телевидения и передачи данных. Однако на настоящий момент
для массового абонента такого сервиса еще нет, и на практике применяют попарную интеграцию. Рассмотрим развитие услуг и возможные варианты интеграции
с помощью диаграммы (рис. 2).

Здесь рассмотрены только три услуги, а именно: передача речи, данных и программ телевидения. Рассмотрим зарождение и развитие этих услуг.

1. Телефония. Телефонная связь зародилась в 70-е годы 19 века. В качестве
пионеров телефонии следует назвать: А. Белла (США) — изобретение телефона
(1876 год), М. Махальского (Россия) — изобретение микрофона (1878 год), П. Голубицкого (Россия) — применение центральной батареи для абонентских телефонных
аппаратов.

Основные элементы технологии телефонии сохранились и по сей день. Эту
телефонную связь называют аналоговой телефонией потому, что в процессе передачи используются аналоговые сигналы, возникающие на выходе телефонной
трубки. При объединении сигналов от различных абонентов используется технология от частного разделения каналов (ЧРК). При ЧРК эти сигналы занимают
разные непересекающиеся участки частотного диапазона. Наглядный пример ЧРК:
разделение радиовещательных и телевизионных программ. Подробно ЧРК будет
рассмотрено в разделе 2.3 при описании модуляции. Соединение абонентов друг
с другом осуществляется посредством коммутации каналов (КК), когда между двумя абонентами устанавливается сквозное соединение с помощью коммутаторов.
Заказ на установление этого соединения делает сам абонент, набирая номер. Разрыв соединения также происходит по инициативе одного из абонентов. Часто такое
соединение называют коммутируемым. Этот вид электрической связи на настоящий
момент является самым массовым, несмотря на заметные недостатки: невысокое
качество связи, ограниченные возможности интеграции, низкий уровень сервиса.

Широкое внедрение цифровых технологий привело к появлению в электросвязи цифровых систем передачи и цифровой телефонии. Основными отличительными
особенностями этой технологии являются: преобразование аналогового телефонного сигнала в цифровой (последовательность импульсных сигналов, передающих
значения «0» и «1»), объединение цифровых сигналов разных абонентов с помощью уплотнения их во времени — временное разделение каналов (ВРК). Вместе
с тем технология коммутации остается прежней — коммутация каналов.

Наконец, в конце 90-х годов прошлого столетия родилась еще одна телефонная технология — IP-телефония, которая принципиально отличается от предыдущих
способом коммутации. Здесь так же, как и в цифровой телефонии, формируется
цифровой сигнал, но затем он разбивается на пакеты. Каждый пакет содержит
в заголовке адрес назначения, поэтому пакеты могут добираться до абонентов самостоятельно.

Но главным достоинством пакетных методов передачи является возможность
передавать по одному каналу связи пакеты нескольких пар абонентов одновременно. При этом коэффициент использования канала приближается к 100%. Разумеется, что IP-телефония, как и другие пакетные методы передачи речи, возникли не
сами по себе, а на базе технологий передачи данных, технологий компьютерных
сетей.

Введение

Речь

Данные

Видео

Передачаданных,
коммутацияпакетов

Аналоговое
, радиоканалЧРК,
широкоевещание
TV

Аналоговое
, кабель, ЧРК,
широкоевещание
TV

Цифровое
, ВРК,
коммутацияканалов
TV

Аналогоцифровой ADSL

Цифровая
интеграция ISDN

I
интеграция
P

Кабельное
Интернет
TV+

АТМ

Кабельные
сети

IPMPLS

Телефонияаналоговая, ЧРК,
коммутацияканалов

ТелефонияцифроваяВРК,
коммутацияканалов

I -телефония,
коммутацияпакетов
P

1 Уровень
2 Уровень

Рис. 2 – Развитие и интеграция услуг

Введение
9

2. Передача данных. Этот вид телекоммуникационных услуг появился сравнительно недавно в 60-х годах прошлого века в связи с развитием локальных и глобальных вычислительных сетей. Сначала компьютеры связывались в сети для того,
чтобы увеличить общую производительность. Однако вскоре потребовался доступ
нескольких компьютеров к общим ресурсам (принтер, серверы и т. п.). Появилась
необходимость у компьютерных пользователей обмениваться данными друг с другом. И, наконец, появилась глобальная информационная сеть Интернет. И всем
пользователям потребовался выход в нее. Услуга стала массовой. Поскольку передача данных принципиально отличается от телефонии, то и требования к этим
сетям совсем другие. Здесь нужна высокая вероятность передачи (−10−8–10−9),
в то время как малая задержка сигнала, важная для телефонии, здесь не является
критичной. Требования по скорости передачи в сетях передачи данных (СПД) изменяются в широких пределах от нескольких десятков килобит в секунду (Кбит/с)
для абонентского доступа до единиц гигабит в секунду (Гбит/с) на магистральных
сетях.

3. Телевидение. Исторически первым появилось «эфирное» телевидение, когда
передатчик телевизионной станции излучает радиоволны для всех абонентов,
имеющих телевизионные приемники в зоне действия станции (рис. 3).

Рис. 3 – Широковещательное «эфирное» телевидение

Такой режим распределения информации называется широковещательным, и он
принципиально отличается от режима коммутации, применяемого в телефонии
и передаче данных. Сигналы телевидения являются аналоговыми, как и в телефонии, но они имеют гораздо более сложную структуру, потому что телевизионное
изображение имеет двумерный формат, речь одномерна (изменяется только во времени). Для того чтобы передавать несколько телевизионных программ, используется ЧРК, так же как в аналоговой телефонии.

Эта телевизионная услуга сейчас является самой массовой, так как она не требует строительства кабельных линий связи для абонентов. Качество передаваемых
изображения и звука здесь не может быть очень высоким, так как на него влияют
условия распространения радиоволн (осадки, многократные отражения от зданий,
затенения). Сейчас у «эфирного» телевидения, как у массовой услуги, появился конкурент — кабельное телевидение, которое развивается, начиная с 80-х годов

Введение

20 века. В его основе также лежат аналоговые сигналы, ЧРК и принцип широкого
вещания. Здесь сигналы от головной станции передаются к абонентам по специально проложенной кабельной сети (рис. 4).

TV приемники

Распределительная
кабельнаясеть

Волоконная
линиясвязи
Головная
станция

Спутниковое TV

Местнаястудия
TV

Другиесистемы
TV

Рис. 4 – Системы кабельного телевидения

Это обеспечивает более высокое качество передачи и позволяет услугу сделать
платной, так как кабельный ввод в квартиру может быть отключен в случае неуплаты. Телевизионные приемники у абонентов здесь используются те же самые, что
и при обычном телевидении.

В ближайшей перспективе появление высококачественной массовой услуги —
цифрового телевидения. Она уже реализуется, начиная с 90-х годов прошлого века.
В ее основе лежат преобразование аналогового телевизионного сигнала в цифровой, использование ВРК и технологии коммутации каналов. Несомненными достоинствами цифрового телевидения являются высокое качество передачи программ,
адресная передача по запросу. Сдерживает массовое внедрение услуги необходимость приобретения специального телевизионного приемника, который пока является достаточно дорогим. Технологический прогресс в скором времени позволит
преодолеть этот недостаток. Способы передачи сигналов цифрового телевидения
могут быть самыми разными: по радиоканалам, по сетям кабельного телевидения
и даже по телефонным сетям с использованием специальных модемов.

Рассмотрев базовые технологии электросвязи, займемся возможными способами их интеграции. Наиболее просто решаются задачи объединения двух услуг.
Назовем это первым уровнем интеграции. Здесь с технической точки зрения проще интегрировать телефонию и передачу данных. В соответствии с диаграммой
(рис. 2) возможны и развиваются 3 варианта:

1. Аналого-цифровая интеграция, когда канал тональной частоты (телефонный канал), используя ЧРК, объединяется с цифровым каналом передачи
данных. Наиболее распространена технология ADSL.

2. Цифровая интеграция, в которой на принципах BPK объединяются цифровые потоки телефонии и передачи данных — это технологии ISDN-BRI
и PRI.