Предисловие

 

В вопросах создания и развития современных телекоммуникацион­ных систем весьма актуальной является проблема их информационной безопасности, включающая вопросы обеспечения защиты обрабатывае­мой информации, сведений о телекоммуникационной системе и самой телекоммуникационной системы от разрушающих воздействий окружа­ющих систем.

Важность постановки и решения проблем обеспечения безопасности информации в телекоммуникационных системах обусловливается необ­ходимостью уточнения, и обоснования достаточности применяемых мер защиты информации, оптимизации систем защиты, повышения эффек­тивности контроля безопасности информации.

Различные теоретические аспекты информационной безопасности телекоммуникационных систем, принципы построения соответствующих средств и систем отражены в большом числе работ отечественных и зарубежных авторов. В этих трудах разработан ряд основных теоре­тических положений защиты информации, методологических и научно-теоретических основ построения систем защиты от несанкционирован­ного доступа, модели безопасности, методики оценки защищенности ин­формации в технических средствах передачи, хранения и обработки ин­формации в телекоммуникационных системах.

Вместе с тем, в этих работах отсутствует системное изложение в рассмотрении теоретических положений обеспечения информационной безопасности телекоммуникационных систем в широком ее понимании. Кроме того, в большинстве приводимых моделей защиты информации затруднено установление многофакторных взаимосвязей параметров, от­ражающих особенности реальных процессов защиты телекоммуникаци­онных систем в условиях воздействий различных угроз их информаци­онной безопасности, что в конечном счете снижает адекватность этих

моделей.

Учебное пособие представляет собой результаты научно-исследова­тельской, учебно-методической и практической деятельности авторского коллектива специалистов в области информационной безопасности. В предлагаемых материалах систематизирован опыт построения и защиты телекоммуникационных систем, который приобретался авторами в ре­зультате работы в Академии Федеральной службы безопасности России, Воронежском институте Министерства внутренних дел России, Между­народном институте компьютерных технологий, а также в результате ру­ководства практической деятельностью спецподразделений по обеспече­нию информационной безопасности.  Целью учебного пособия является представление системных знаний по современным направлениям, мето­дам и средствам обеспечения информационной безопасности ТКС.

В работе сделана попытка системного изложения теоретических основ технических аспектов информационной безопасности телекомму­никационных систем и рассмотрен понятийный аппарат, который не в полной мере отражен в современной литературе или имеет неоднознач­ное  толкование.

В учебном пособии представлены:

•  основные принципы организации и перспективы развития телеком­муникационных систем,  сетей  передачи данных,  специальных се­тей  связи;

•  классификация угроз информационной безопасности телекоммуни­кационных систем;

•  теоретические основы оперативно-технической скрытности;

•  методы повышения энергетической безопасности телекоммуникаци­онных систем;

•  принципы пространственного и частотно-временного планирования для повышения тактической безопасности телекоммуникационных систем;

•  опыт применения современных методов передачи обработки и ком­мутации  сигналов.

Авторы надеются, что усвоение изложенного в учебном пособии ма­териала позволит специалистам более эффективно решать задачи обес­печения информационной безопасности телекоммуникационных систем, выработать практические рекомендации по внедрению новых техниче­ских решений по совершенствованию средств и способов ее организации.

Основное содержание учебного пособия построено на материалах отечественных и зарубежных литературных источников, авторских раз­работках в области обеспечения информационной безопасности теле­коммуникационных систем.

Авторы выражаю глубокую благодарность док. техн. наук, профес­сору РФ. Григорьеву и Е.Б. Белову за ценные советы и критические замечания, сделанные при обсуждении рукописи.

Работа между авторами распределилась следующим образом: пре­дисловие написано совместно М.В. Гараниным и В.Г. Кулаковым, гл. 1 — В.Г. Кулаковым; гл. 2 — В.Г. Кулаковым и О.Н. Новокшановым; гл. 3 — М.В. Гараниным и А.В. Заряевым; гл. 4 — О.Н. Новокшановым и СВ. Скрылем; гл. 5 — А.Н. Обуховым; гл. 6 — А.В. Заряевым и А.Н. Обуховым; гл. 7 — М.В. Гараниным и СВ. Скрылем.

 

Г л а в а 1

Основные принципы организации и перспективы развития информационных и коммуникационных технологий

 

1.1.Основы политики Правительства РФ. в области развития информационных и коммуникационных технологий

 

Развитие и широкое применение информационных и коммуникаци­онных технологий (ИКТ) является глобальной тенденцией мирового раз­вития и научно-технической революции последних десятилетий. Приме­нение ИКТ имеет решающее значение для повышения конкурентоспособ­ности экономики, расширения возможностей ее интеграции в мировую систему хозяйства, повышения эффективности государственного упра­вления  и местного самоуправления.

Важным результатом распространения ИКТ и проникновения их во все сферы общественной жизни является создание правовых, организа­ционных и технологических условий для развития демократии благодаря реальному обеспечению прав граждан на свободный поиск, получение, передачу, производство и распространение информации.

Россия, как член мирового сообщества, не может находиться в сто­роне от процесса бурного развития телекоммуникаций и построения Глобального информационного общества. Подтверждением этого стало ключевое событие 2000 г. — подписание Президентом Российской Феде­рации и другими руководителями ведущих индустриальных стран мира Хартии Глобального информационного общества, которое состоялось в Японии на Окинаве. Этот документ явился импульсом для развития национальной программы действий в области телекоммуникаций, опре­деляющих на ближайшие годы приоритетное сотрудничество России с ведущими  мировыми  державами.

Реализуя стратегические планы по вхождению в Глобальное инфор­мационное общество, Правительством Российской Федерации в 2000— 2001 г. были приняты «Концепция развития рынка телекоммуникаци­онных услуг Российской Федерации на 2001-2010 годы», «Концепция развития рынка телекоммуникационного оборудования Российской Фе­дерации на 2001-2010 годы», Федеральные целевые программы (ФЦП) «Электронная Россия», «Развитие единой образовательной информаци­онной сферы на 2002—2006 годы», «Доктрина информационной безопас­ности  Российской Федерации».

Столь пристальное внимание к телекоммуникационным системам со стороны Правительства объясняется и внутренними причинами:

•  коренными изменениями общественно-политических условий, в ко­торых функционирует  и  развивается   вся  российская  промышлен­ность;

•  проведением и углублением экономических реформ в России;

•  созданием в России реального рынка телекоммуникационного обо­рудования;

•  большей (относительно других секторов промышленности) инвести­ционной  привлекательностью  развития   и  создания  новых  произ­водств телекоммуникационного оборудования;

•  недостаточным уровнем обеспечения  информационной безопасно­сти Взаимоувязанной сети связи (ВСС) России, что в первую оче­редь определяется низкой долей поставляемого отечественного оборудования — менее 30 %;

• возможной дальнейшей потерей значительной доли рабочих мест на предприятиях, разрабатывающих и создающих телекоммуника­ционное оборудование.

Это определяет политику Правительства Российской Федерации в области развития телекоммуникаций, целью которой является создание условий и формирование механизмов, обеспечивающих:

•  повышение экономической независимости и информационной без­опасности  Российской Федерации;

•  удовлетворение растущих потребностей в услугах связи и ускоренное развитие национальной  инфраструктуры;

•  предоставление общедоступных услуг связи в каждом населенном пункте России; повышение эффективности использования телеком­муникационной  инфраструктуры;

•  инвестиционной привлекательности отрасли, создание условий для добросовестной конкуренции;

•  создание новых и модернизацию существующих рабочих мест в вы­сокотехнологичных отраслях промышленности.

Выполнение принятых программ и концепций должно обеспечить формирование нормативной правовой базы в сфере ИКТ, развитие ин­формационной и телекоммуникационной инфраструктуры, сформиро­вать условия для подключения к открытым информационным системам (в том числе посредством сети Интернет), а также обеспечить эффек­тивное взаимодействие органов государственной власти и органов мест­ного самоуправления с гражданами и хозяйствующими субъектами на основе широкого внедрения ИКТ. При этом предусматривается созда­ние и широкое внедрение современных инфокоммуникационных техно­логий и обеспечение их реализации современным телекоммуникацион­ным   оборудованием.

Главными средствами реализации принятых программ и концеп­ций   определены:

•  структурная перестройка — организационная и технологическая;

•  создание благоприятного инвестиционного климата для предприя­тий-производителей телекоммуникационного оборудования;

•  привлечение отечественных и иностранных инвесторов для созда­ния   в   Российской   Федерации   совместных   предприятий   (произ­водств) по ряду важнейших направлений телекоммуникационного

оборудования;

•  повышение эффективности действующих совместных предприятий, получивших статус отечественного производителя;

•  прямое участие государства в реализации  ключевых направлений создания технических средств.

В качестве основных принципов государственной политики развития рынка телекоммуникационного оборудования и услуг определены:

•  поддержание «честной» конкуренции на рынке;

•  установление поощрительной государственной политики в развитии телекоммуникационной инфраструктуры;

•  повышение  инвестиционной   привлекательности   предприятий-про­изводителей телекоммуникационного оборудования;

•  создание правовых гарантий, обеспечивающих привлечение к инве­стиционной деятельности в России как отечественных, так и зару­бежных финансовых и телекоммуникационных компаний; защита и конверсия радиочастотного спектра;

•  развитие современных технологий, разработка и создание перспек­тивных технических средств для новых видов телекоммуникацион­ных  услуг;

•  дальнейшее осуществление необходимых мер по обеспечению на­дежности   и   информационной   безопасности   технической   инфра­структуры телекоммуникационных сетей.

Умеренно-оптимистическая оценка результатов реализации приня­тых концепций и программ показывает, что объем производства (про­даж) предприятиями  отечественной  промышленности  до 2010 г.    со­ставит:

•  оборудования электросвязи — 22-24 млрд долл. США;

•  оборудования телерадиовещания (включая бытовую технику) — 7-8  млрд долл.  США.

При этом необходимые инвестиции в создание новых технологий и развитие производства составят 3,2-3,5 млрд долл. США.

Количество созданных высокотехнологичных рабочих мест в науко­емких подотраслях промышленности — около 100 тыс.

 

1.2. Состояние телекоммуникационной

отрасли России

 

Начиная с 1992 г. в телекоммуникационной отрасли России прохо­дила реформа, в основу которой была положена приватизация государственных предприятий электросвязи путем их акционирования. Принци­пы реформирования были определены постановлением Правительства Российской Федерации от 25 июля 1992 г. № 526 «О программе акцио­нирования и приватизации в отрасли «Связь» на 1992 год» и Концеп­цией программы Российской Федерации в области связи, одобренной Советом Министров — Правительством Российской Федерации (прото­кол  №  11 от 25 марта  1993 г.)

В  результате  реформы   Министерство   информационных техноло­гий и связи Российской Федерации перестало быть собственником се­тей и предприятий электросвязи и прекратило выполнять хозяйствен­ные функции в области электросвязи. В настоящее время Министерство информационных технологий и связи Российской Федерации выполняет функции государственного регулирования  в отрасли.    К ним относят­ся:   реализация государственной политики в отрасли «Связь и инфор­матизация», проведение научно-технической политики, лицензирование деятельности физических и юридических лиц в сфере оказания услуг связи, сертификация средств связи, регулирование совместно с заинте­ресованными федеральными органами исполнительной власти исполь­зования частотного ресурса Российской Федерации, осуществление кон­троля за развитием рынка услуг связи и рынка оборудования связи и стимулирование их развития, управление сетями связи при чрезвычай­ных ситуациях, координация деятельности операторов связи, прогнози­рование развития сетей связи, формирование и защита информацион­ных  ресурсов  страны.

В результате приватизации было создано 127 акционерных обществ электросвязи. Оператором междугородных и международных услуг электросвязи стало акционерное общество «Ростелеком».

Министерство информационных технологий и связи Российской Фе­дерации выдает юридическим лицам и физическим лицам, зарегистри­рованным в качестве индивидуальных предпринимателей, лицензии на осуществление деятельности по предоставлению услуг связи. Начиная с 1992 г. было выдано более 7400 лицензий на оказание телекоммуни­кационных услуг. На рынке действуют наряду с традиционными опе­раторами сетей общего пользования около 4500 новых операторов*. В общем объеме рынка телекоммуникационных услуг доля новых опера­торов составляет 46 %. В настоящее время в Российской Федерации создан открытый рынок телекоммуникационных услуг.

В процессе развития телекоммуникационного рынка сформирова­лись   следующие   основные   сегменты   рынка   телекоммуникационных

услуг:   услуги телефонной связи,  услуги  мобильной связи,  услуги  пе­редачи  данных  и   Интернета.

Сформировавшийся в настоящее время в России рынок телеком­муникационного оборудования отличается высокой степенью либерали­зации. В связи с этим за последние 10-12 лет условия деятельно­сти отечественных предприятий-производителей принципиально изме­нились. На волне либерализации внешней торговли в России существо­вавший дефицит в современном телекоммуникационном оборудовании стал восполняться такими крупнейшими фирмами, как Alcatel (Фран­ция), Siemens (Германия), Ericsson (Швеция), Philips (Голландия), Cisco Systems (США), Sony, NEC, Panasonic (Япония) и др. Обладая высоким научным потенциалом, крупным производством конкурентоспособного оборудования и достаточными оборотными и заемными капиталами, эти фирмы завоевали большую часть (до 70-80 %) российского рынка. Се­годня более 40 зарубежных фирм осуществляют поставки оборудования напрямую или через своих дилеров в России. Однако в последнее время происходит сокращение числа действующих и вновь приходящих на рос­сийский рынок зарубежных фирм. Это свидетельствует как о заверше­нии этапа раздела отечественного телекоммуникационного рынка между зарубежными компаниями, так и о существующей мировой тенденции укрупнения фирм-производителей оборудования. Промышленные пред­приятия, расположенные в России, обеспечивают 20-30 % рынка. Их можно условно разделить на четыре группы:

•   Предприятия, традиционно занимающиеся разработкой и производ­ством телекоммуникационного оборудования, — около 70 промы­шленных предприятий и 60 научных организаций общей численно­стью работающих до 80 и 30 тыс. человек соответственно.

•  Предприятия, ранее не занимавшиеся созданием телекоммуникаци­онного оборудования и пришедшие на рынок, как правило, в резуль­тате конверсии или поиска новых для себя рыночных ниш.

•   Новые предприятия, образовавшиеся чаще всего на базе отдельных подразделений научных или производственных предприятий и ор­ганизаций. Это примерно 200-230 официально зарегистрированных юридических лиц,  однако их учет затруднен,  так как вследствие конкурентной борьбы их состав постоянно меняется.   Предприятия данной  группы  решают частные задачи (производство отдельных видов оборудования,   адаптация импортного оборудования  и  про­граммного обеспечения,   и т.п.).

•  Совместные предприятия с ведущими инофирмами, работающие на территории   России.    Эти  предприятия создавались с целью уско­рения внедрения наукоемких технологий  и выпуска в нашей стра­не сложного перспективного телекоммуникационного оборудования (цифровой   коммутации,   систем   передачи).      В   настоящее  время функционируют более 10 совместных предприятий, 6 из них полу­чили статус отечественного производителя.

Основными показателями развития телекоммуникационной инфра структуры являются плотность стационарных телефонных аппаратов на 100 жителей, плотность мобильных телефонов, число и плотность пользователей Интернета, а также доля вклада информационных технологий и связи в ВВП страны. Так, вклад телекоммуникаций в ВВП России составляет 2 %, тогда как в развитых странах мира он достигает  5  %  и  более.

Основным документом, определяющим тенденции развития рын­ка телекоммуникационных услуг, является «Концепция развития рын­ка телекоммуникационных услуг Российской Федерации до 2010 года». Исходя из результатов анализа состояния рынка телекоммуникацион­ных услуг и макроэкономических показателей развития России, опреде­ленных в «Основных направлениях социально-экономической политики Правительства Российской Федерации на долгосрочную перспективу», установлены обобщенные показатели развития телекоммуникационного рынка России (табл. 1.1) и необходимые для их достижения объемы капитальных затрат.

Объем капитальных вложений для достижения указанных показа­телей с учетом необходимых работ по модернизации устаревшего обо­рудования на предстоящий десятилетний период оценивается в размере 33 млрд долл. США, из которых затраты на закупку оборудования мо­гут составить 22-24 млрд долл. США. На основе показателей развития рынка услуг телекоммуникаций России до 2010 г., приоритетов и специ­фических особенностей в «Концепции развития телекоммуникационного оборудования» определена предполагаемая емкость отдельных наиболее значимых сегментов рынка оборудования связи.

 

1.2.1. Местная телефонная связь

                

Этот сегмент рынка телекоммуникационных услуг является сегодня стабильно развивающимся. Очередь на установку телефона в настоящее время составляет около 6 млн человек. В 2001 г. этот рынок обслу­живался 92 традиционными операторами связи, в основном входящи­ми в ОАО «Связьинвест», и новыми, «альтернативными», операторами связи (более 2,5 тыс.). Уже по количеству альтернативных операторов на рынке услуг связи следует сделать вывод о привлекательности этого сегмента рынка для поставщиков оборудования. На сегодняшний день только 26 % оборудования, используемого в сетях местной телефонной связи в Российской Федерации, соответствует мировому уровню. За пе­риод до 2010 г. предусматривается модернизировать около трех четвер­тей номерной емкости существующих сетей связи общего пользования, что составляет свыше 20 млн номеров. Кроме модернизации морально и физически устаревшей техники, планируется увеличение общего ко­личества телефонов в стране на 16,5 млн номеров. Таким образом, за период до 2010 г. с целью модернизации и расширения местных теле­фонных сетей необходима закупка примерно 36 млн номерной емкости, что в ценовом выражении может составить до 7,9 млрд долл. США. Го­довая потребность в стоимостном выражении примерно 570 млн долл. США в 2001 г. и свыше 1 млрд долл. США в 2010 г.

Крайне острыми продолжают оставаться проблемы сельской связи и связи на труднодоступных территориях. Причины существующих про­блем в нашей стране объясняются прежде всего высокой себестоимостью этих услуг связи и очень низкой покупательной способностью абонентов. В настоящее время 54 тыс. населенных пунктов не имеют телефонной связи. Телефонная плотность в сельской местности составляет 9,7 теле­фонов на 100 жителей. Рациональным уровнем телефонизации согласно проекту «Концепции развития телекоммуникационных сетей в сельской местности Российской Федерации в 2002-2010 годах» принят уровень 15 телефонов на 100 жителей. Это означает, что в рассматриваемый пе­риод необходимо ввести номерную емкость телефонной сети 2700-2800 тыс. номеров, из которых 600 тыс. номеров идут на замену выводимо­го оборудования. Повышенного внимания заслуживает на начальном этапе ускоренное внедрение универсальных карточных таксофонов. В стоимостном выражении работы по телефонизации села оцениваются примерно в 1,2 млрд долл. США. По годам эта сумма скорее всего будет распределена равномерно — 120 млн долл. США в год.

Большая социальная значимость этого участка рынка обусловит ак­тивное регулирование в течение всего рассматриваемого периода со сто­роны государства, выражающееся прежде всего в использовании тра­диционных и внедрении новых механизмов финансирования развития сетей связи и контроля (экспертизы) проектных решений промышлен­ного оборудования.

Уровень государственного регулирования и объем субвенций во мно­гом будут определяться сроками введения механизмов повременной або­нентской оплаты и системы универсального обслуживания.

 

1.2.2. Междугородная и международная связь

 

Сегмент рынка услуг междугородной и международной связи по сравнению с рынком услуг местной связи в определенной степени мо­нополизирован. Основным потребителем оборудования для создания сетей междугородной и международной связи в настоящее время явля­ется ОАО «Ростелеком», которое пропускает около 70 % всего междуго­родного и международного трафика Российской Федерации.  В условиях

конкуренции (на рынке присутствует 300 альтернативных операторов) эта доля постепенно снижается. В рассматриваемый период дальней­шая либерализация этого участка рынка будет контролироваться госу­дарством с учетом обеспечения требований «Концепции национальной безопасности  Российской Федерации».

Основу междугородной и международной связи составляют кабель­ные (в том числе волоконно-оптические) и радиорелейные линии связи; 3-4 % трафика передается по спутниковым каналам связи. Современ­ные сети междугородной и международной связи построены в основном на зарубежном оборудовании. Основными поставщиками оборудования являются фирмы Siemens, Ericsson, Alcatel, NEC. Протяженность маги­стральных линий с цифровыми системами передачи с 35,7 (2000 г.) уве­личится до 60 тыс. км (2010 г.), протяженность внутризоновых линий — с 45 (2000 г.) до 105 тыс. км (2010 г.). За период до 2010 г. закупки технических средств могут составить до 1,0 млрд долл. США. Годовой объем рынка оборудования — около 100 млн долл. США ежегодно.

 

1.2.3. Мобильная связь

 

Сегмент рынка услуг мобильной связи полностью либерализован и переживает период динамичного роста. Количество абонентов уве­личивается не менее чем на 60 % ежегодно. Около 70 % абонентов зарегистрировано в Москве и Санкт-Петербурге. Однако в последнее время темпы роста числа абонентов в этих городах и регионах сравня­лись. Потенциал роста рынка мобильной связи оценивается как высо­кий. В этом сегменте рынка развернулась наиболее острая конкурент­ная борьба компаний-операторов, при этом первая пятерка компаний обслуживает 3/4 всех абонентов. Оборудование поставляется в основ­ном зарубежными компаниями (Siemens, Nokia, Ericsson, Sony, Motorola и др.). Доля оборудования, поставляемого отечественными произво­дителями,   не превышает  5—7 %.

Рынок оборудования для развития мобильной связи в настоящее время составляет около 430 млн долл. США в год и будет стабильно расти до уровня 1,3 млрд долл. США в 2010 г. Общие расходы на закупку технических средств мобильной связи до 2010 г. могут соста­вить до 8,5 млрд долл.  США.

 

1.2.4. Передача данных и телематические услуги

 

Этот сегмент рынка также относится к наиболее динамично раз­вивающимся. Он полностью либерализован. Основными действующи­ми операторами являются известные альтернативные операторы (Global One, РОСПАК, ИНФОТЕЛ, РОСНЕТ и др.), а также множество мелких компаний. Основу используемых сетями передачи данных каналов свя­зи составляют арендуемые у ОАО «Ростелеком» каналы связи и каналы коммутируемой телефонной сети общего пользования. Сети передачи данных функционируют в основном на базе современного сетевого обо­рудования ведущих иностранных компаний.

В настоящее время в России около 3,5 млн активных пользователей Интернета, ежегодный прирост которых составляет 40-50 %. Сегмент рынка оборудования для развития сети передачи данных, телематиче­ских услуг и Интернета является потенциально наиболее динамично ра­стущим. Закупки оборудования с 2001 по 2010 г. могут возрасти от 0,4 до 0,9 млрд долл. США и за этот период составить до 6,6 млрд долл. США.

 

1.2.5. Ведомственные и корпоративные сети связи

 

Сети связи ведомств и корпоративных структур топливно-энергети­ческого и транспортного комплексов, других ведомств являются крупны­ми нишами для производителей телекоммуникационного оборудования. Особенно быстро в последнее время развиваются сети МПС России. Осо­бенностью этого сегмента рынка является то, что потребителями на нем выступают структуры различной формы собственности: органы государ­ственного управления, корпоративные структуры в лице естественных монополий со значительной долей государственного участия (РАО «Газ­пром», РАО «ЕЭС») или их специализированные дочерние компании, а также частные компании-операторы. Ведомственные и корпоративные сети, созданные естественными монополиями, являются потребителя­ми не только аппаратуры общего применения, но и большого количе­ства специализированных систем и средств, используемых при решении технологических задач (коммутационная техника, системы радиосвязи, оборудование радиорелейных линий и т.д.). Формирование этого рынка должно учитывать конкретные особенности используемого оборудова­ния для  каждого потребителя.

Поставщиками оборудования на этом сегменте рынка выступают из­вестные иностранные фирмы и отечественные предприятия (25-30 % объема  закупок).

Емкость рынка ведомственных и корпоративных сетей связи по при­близительным оценкам составляла в 2001 г. около 1,2 млрд долл. США и должна возрасти к 2010 г. до 2,1 млрд долл. США. Общий объем закупок за десятилетие составит около 16,5 млрд долл. США.

 

1.2.6. Сети связи Минобороны, МВД и других силовых ведомств

 

Этот сегмент рынка существенно отличается от выше рассмотрен­ных.

Во-первых, рынок до настоящего времени является явно выражен­ной монопольной средой. Его емкость во многом регламентируется ди­рективными документами: «Концепция развития вооружения, военной и специальной техники до 2015 года», «Государственная программа во­оружения на 2001-2010 годы и на период до 2015 года», Государствен­ный оборонный заказ (на очередной календарный год). Вместе с тем последний фактор носит динамичный характер, и прямо зависит от те­кущих финансовых возможностей государства в конкретный краткосрочный период, военно-политических приоритетов, определяемых реальной международной  обстановкой.

Во-вторых, заказчиком (покупателем) конкретного оборудования является государство в лице своего агента (Минобороны России, МВД России, других министерств и ведомств). Практика проводимых тенде­ров на поставку оборудования для государственных нужд подтверждает, что в обозримый период для наукоемкой продукции монополия постав­щиков будет сохраняться прежде всего из-за ограниченности объемов госзаказа (не более 5 % общего объема производства) и недостаточных финансовых возможностей для освоения производства новых современ­ных образцов техники у потенциальных поставщиков оборудования.

Реальная конкурентная среда должна сформироваться при благо­приятных обстоятельствах на третьем этапе рассматриваемого периода реализации концепции (2007-2010 гг.), когда реально будут давать эф­фект такие факторы, как общее оздоровление экономики страны, выпол­нение достижений основных целей военной реформы, упомянутых выше директивных документов и ФЦП «Реформирование и развитие оборонно-промышленного комплекса (2002-2006 годы)». В этот период предпо­лагается внедрение в производство новых технологий, разработка кото­рых предусмотрена рядом ФЦП «Национальная технологическая база», «Электронная Россия» и др., увеличение на их основе экспортного по­тенциала и объема продаж техники связи на рынки ближнего и дальнего (Индия, Китай, страны Ближнего и Среднего Востока) зарубежья.

 

1.2.7. Абонентское оборудование

 

Это оборудование, как правило, приобретается пользователем, ин­дивидуальным или корпоративным, и имеет постоянно расширяющую­ся номенклатуру изделий. Данному сегменту рынка свойственен ряд особенностей,  среди  которых:

•  полная либерализация  рынка;

•  зависимость от предлагаемых сетевых услуг связи, от технических возможностей сетевого оборудования;

•  высокая динамичность обновления, зависимость от таких факторов, как дизайн, мода, влияние рекламы и т.д.

Емкость рынка абонентского оборудования для электросвязи, вклю­чающего телефонные аппараты — стационарные и мобильные, факси­мильные аппараты, офисные мини-АТС оценивается за десятилетие в размере 6,6 млрд долл. США (2001г— 0,4 млрд долл. США, 2010 г. — 0,9 млрд  долл.  США).

Показатели емкости рынка оборудования связи по отдельным сег­ментам  приведены  в табл.  1.2.

 

1.3Прогноз развития рынков основных  видов телекоммуникационного оборудования

 

Производство средств и систем связи находится в сфере государ­ственного регулирования. Разработка большей части наукоемкого пер­спективного оборудования проводилась в соответствии с ФЦП «Созда­ние технических средств связи, телевидения и радиовещания». Под­держка разработок элементной базы осуществлялась внедрением ре­зультатов параллельно выполняемой ФЦП «Развитие электронной тех­ники   в  России».

Возможности отечественной промышленности на первом и втором этапах развития (до 2006 г.) во многом будут определяться результатами освоения в производстве новой техники, созданной при выполнении упо­мянутых программ. На третьем этапе промышленностью должны осва­иваться технологии и производиться аппаратура, созданные в процессе выполнения одобренных Правительством Российской Федерации ФЦП «Национальная технологическая база» и «Электронная Россия». Про­граммы определяют направления работ в основном для традиционных разработчиков и производителей оборудования. Значительно большее количество предприятий самостоятельно пытаются функционировать на рынке оборудования, что в ряде случаев приводит к неоправданному расширению номенклатуры однотипного выпускаемого оборудования.

Потребность различных сегментов рынка телекоммуникационных услуг обеспечивается поставками следующих основных видов телеком­муникационного оборудования:

•  системы  коммутации;                                 

•  системы  передачи;                                       

•   системы спутниковой связи;       

•  оборудования радиорелейных линий;                               

•  оборудования сетей доступа;

•  аппаратура  передачи  данных;

•  аппаратура  подвижной  связи;                                                  

•  оконечное (абонентское) оборудование;                         

•  технические средства информатизации.           

 

1.3.1. Системы коммутации

 

Рынок коммутационного оборудования для развития ВСС в 2001— 2010 гг. определяется в основном развитием местной сети (городской и сельской) и мобильной связи (табл.  1.3).

Емкость рынка коммутационного оборудования для ведомственных и корпоративных сетей (65-75 %) может быть сопоставима с емкостью местной сети общего пользования.

Производство коммутационной техники — одно из направлений, в котором поддерживается достаточный потенциал отечественной промы­шленности. Российскими предприятиями и совместными с инофирмами предприятиями, имеющими статус отечественного производителя, осво­ены в производстве и выпускаются цифровые электронные АТС широ­кой номенклатуры, соответствующие современному техническому уров­ню. Суммарный объем производства коммутационной техники отече­ственными производителями может составить 4,5-5,0 млн портов в год. Это существенно перекрывает годовой размер вводимой номерной ем­кости на сетях общего пользования (около 1,5-2,0 млн портов). Та­ким образом, существующие производственные мощности в значитель­ной степени остаются невостребованными. Этот фактор прямо влияет на рентабельность выпускаемой продукции и предприятий.

В 2000 г. прирост емкости местной телефонной сети составил около 1,5 млн портов, в том числе традиционными операторами введено 1,3 млн портов. Отечественной промышленностью за этот год на сети про­дано коммутационное оборудование емкостью 840 тыс. портов. Осталь­ная номерная емкость была поставлена зарубежными фирмами Siemens, Alcatel, Ericsson и др. За счет импортных поставок полностью обеспечи­вается спрос мобильной связи, междугородной и международной связи и в значительной степени корпоративных сетей.

Обеспечение спроса на коммутационное оборудование предполага­ется решать двумя путями. Первый — поставкой новой техники, вто­рой — модернизацией действующего на сетях оборудования, имеющего высокий запас по срокам эксплуатации, для того чтобы оно в доста­точной степени отвечало современным

требованиям, предъявляемым к оборудованию на взаимоувязанной сети связи. Модернизация при от­носительно небольших затратах (составляющих 30-40 % стоимости но­вого оборудования в пересчете на один порт) позволит продлить сроки эксплуатации значительного парка коммутационного оборудования, а в ряде случаев и наращивать номерную емкость сетей на базе ранее по­ставленного оборудования.

Первые положительные результаты получены при выполнении ра­бот по модернизации станций МТ-20, доля которых на существующих цифровых сетях связи составляет более 20 %.

В настоящее время происходят значительные изменения требова­ний, предъявляемых к коммутационному оборудованию. Структура тра­фика меняется от передачи в основном речевой информации к преобла­дающей доле передачи данных. Это вызывает необходимость принципи­альных изменений коммутационной техники — переходу от коммутации каналов к пакетной коммутации. Однако этот процесс длительный, и коммутация каналов еще долгое время будет сохранять свое значение и свою востребованность.

Задачу обеспечения рынка перспективным оборудованием, позволя­ющим работать на основе стандартов традиционной телефонии и стан­дартов для сетей пакетной коммутации, в том числе компьютерной и IP-телефонии, предполагается решать в двух направлениях:

•  модернизацией  — дополнительным  оснащением  действующих  на сети и вновь поставляемых современных станций интерфейсными модулями, позволяющими осуществить интеграцию с перспектив­ными сетями пакетной коммутации.   Первым отечественным опы­том разработки такой системы является станция АТСЦ-90. Задача модернизации выпускаемого коммутационного оборудования долж­на быть поставлена всеми совместными предприятиями (первый  и второй  этапы);

•  созданием коммутационного оборудования следующего поколения — мультисервисных АТС, способных коммутировать потоки, вклю­чающие все виды информации — речь, видео, данные, мультимедиа и т.д.   Такое оборудование должно создаваться совместно с веду­щими инофирмами и производиться  на существующих или вновь созданных совместных предприятиях (производствах).

 

1.3.2. Системы передачи

 

Системы передачи (аппаратура транспортной сети) в стоимостном выражении представляют крупный сектор рынка оборудования — около 2,4 млрд долл. США за период 2001-2010 гг.

В настоящее время предприятиями промышленности выпускает­ся широкая номенклатура цифровой аппаратуры систем передачи двух

классов:                                                        

•  аппаратура ИКМ первичной  цифровой системы передачи,  вторич­ного и третичного  временного  группообразования  для  работы на городских, сельских и зоновых сетях по медным и волоконно-опти­ческим  кабелям;

•  аппаратура  передачи  для  цифровых сетей   на основе синхронной цифровой   иерархии   (СЦИ)  с  линейными   интерфейсами  уровней STM-1, STM-4 и STM-16 для зоновых и магистральных волоконно-оптических линий  связи.

Предприятия промышленности приступили также к разработке но­вых видов оборудования для передачи информации методами IP-теле­фонии. Оборудование для перспективных городских и магистральных сетей на основе кольцевых волоконно-оптических структур с использо­ванием ATM-технологии находится в стадии разработки. Строительство таких сетей ведется с использованием зарубежного оборудования. Решение важной задачи —ускорение цифровизации сетей на первом этапе — может обеспечиваться модернизацией действующих аналоговых линий связи, доля которых на ВСС составляет более 60 %, посредством их за­мены цифровыми, на основе ИКМ-технологии. Такая замена позволит по проложенным медным кабельным линиям без изменения длины ре-генерационных участков обеспечить передачу цифровых потоков Е1 при относительно меньших затратах. Это решение может быть привлека­тельным в первую очередь для корпоративных и ведомственных сетей.

Перспективным направлением создания оборудования высокоско­ростных магистральных линий связи является освоение технологии сетей DWDM-систем передачи по волоконно-оптическому кабелю со смещен­ной ненулевой дисперсией, позволяющих передавать потоки со скоро­стью до 9,6 Гбит/с и выше. Учитывая большую наукоемкость этого оборудования, организация его выпуска реальна только на одном из совместных предприятий или при создании нового совместного пред­приятия  (производства).

 

1.3.3. Оборудование спутниковых систем связи

 

В начале развития спутниковых систем их основным назначением была организация магистральных линий телефонной связи и несколько позже — распределительных сетей телерадиовещания. По мере раз­вития волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) большая часть на­грузки магистральных сетей начала переходить на эти линии. Спутни­ковая связь является определяющей при создании линий телефонной связи с удаленными и труднодоступными регионами. Доля фиксиро­ванной спутниковой службы (ФСС) снизилась (прежде всего в поль­зу телерадиовещания) и, очевидно, не будет составлять по пропускной способности более 30-40 % общего объема услуг, предоставляемых гео­стационарными спутниками. В России этот показатель до 2010 г. бу­дет несколько выше — 50-60 % (табл. 1.4). Это связано с некоторым отставанием развития спутникового непосредственного телевизионного

 

вещания (СНТВ), связи с подвижными абонентами и прямого абонент­ского доступа  в  Интернет.

Достаточно объемным рынком ФСС является рынок сетей типа VSAT. Основной его рост ожидается в крупных азиатских странах, стра­нах Латинской Америки, а также в России и других странах СНГ.

Доля России на мировом рынке услуг космической связи составля­ет 1,4-1,6 %. В России этот рынок услуг относительно монополизиро­ван. Основной отечественный оператор — Государственное предприятие «Космическая связь» (ГПКС) с долей 64 %.

Перспективы развития космического сегмента во многом определя­ются принятым постановлением Правительства Российской Федерации от 25 августа 2001 г. № 626 «О мерах по поддержке и обеспечению спутниковой связи», которое предусматривает производство и запуск в течение пяти лет семи спутников «Экспресс-А» и «Экспресс-АМ» для оказания мультимедийных услуг связи, телефонии, высокоскоростного доступа в Интернет, услуг телерадиовещания. После запуска этих спут­ников российская доля на мировом рынке услуг космической связи со­ставит не менее 4 %, а доля ГПКС на внутреннем рынке возрастет до 83 %. Часть пропускной способности ретрансляторов (до 30 %) плани­руется сдавать в аренду странам ближнего и дальнего зарубежья.

Согласно «Генеральной схеме спутниковой составляющей первич­ной сети ВСС России», разработанной в 1999 г., для магистральных, зоновых и местных сетей потребность в 2005 г. составит 69 стволов, а для сетей альтернативных операторов — 80 стволов при общем количе­стве стволов 244. При сохранении этого темпа роста общая потребность для ФСС составит 250 стволов. Потенциальный объем рынка наземно­го оборудования для магистральной, зоновой и местной связи, включая станции VSAT-сетей, с учетом развития российского космического сег­мента и частичной аренды стволов на зарубежных спутниках («Интел-сат», «Евтелсат» и др.), а также наличия существующей инфраструкту­ры составляет 1,2-1,5 млрд долл. США до 2010 г. В настоящее время этот рынок оборудования отечественными производителями в большой степени утерян. Десятки компаний-поставщиков различных форм соб­ственности последовательно вытесняются известными европейскими и американскими  компаниями.

Выполнение требований «Доктрины информационной безопасности Российской Федерации», соблюдение интересов Минобороны и боль­шинства других силовых ведомств, а также высокая социальная значи­мость задач (услуг), решаемых спутниковой связью, требуют принятия целенаправленных исключительных мер, обеспечивающих возрождение производства этого вида оборудования, хотя бы на одной-двух отече­ственных компаниях. Для организации производств современных ре­трансляторов и конкурентоспособных земных VSAT-станций необходи­мы инвестиции в размере 130-160 млн долл. США.

Создание упомянутых современных производств позволит одновре­менно решить задачу обеспечения конкурентоспособности близкого по технологии оборудования отечественных радиорелейных систем связи, в том числе систем связи специального назначения.    

                      

1.3.4. Радиорелейные линии

                                            

К концу 90-х годов в России обозначился рост потребности при­менения радиорелейных линий (РРЛ) связи для построения местных, ведомственных и корпоративных сетей.  Такие линии (средней и малой пропускной способности) получают распространение для организаций связи вдоль железных дорог, линий электропередачи, нефте- и газопро­водов, выноса части абонентской емкости АТС, соединения между собой базовых станций, ответвления информационных потоков от магистраль­ных волоконно-оптических линий и т.д.  Для передачи информации со скоростью 34 Мбит/с интервал РРЛ длиной 40 км почти в 10 раз деше­вле использования волоконно-оптического кабеля.   Недостаточный вы­пуск аппаратуры такого класса и отсутствие РРЛ в диапазонах выше 15 ГГц привели  к массовым закупкам оборудования за рубежом.    Около 70 иностранных радиорелейных станций получили российские сертифи­каты.   Благодаря разработкам, проведенным в последние годы россий­скими предприятиями, рынок оборудования низкоскоростных линий на 30 % «отвоеван» отечественными предприятиями.  Потенциальный объ­ем рынка оборудования радиорелейных линий связи различных диапа­зонов частот для скоростей до 140 Мбит/с (155 Мбит/с) для зоновой и местной связи, включая потребности корпоративных структур, может составить 1,4-1,5 млрд долл. США до 2010 г.

Учитывая постоянную потребность в этом виде оборудования Ми­нистерства обороны и других силовых ведомств, и безусловную необхо­димость конверсии частотного спектра, этот сегмент рынка может счи­таться весьма перспективным для отечественной промышленности. Это обстоятельство должно учитываться при решении задач реструктуриза­ции предприятий оборонно-промышленного комплекса.

 

1.3.5. Оборудование коротковолновых систем

радиосвязи

 

Актуальность систем KB радиосвязи обусловлена их возможностя­ми, позволяющими при низких затратах организовать связь практически

на любые расстояния, когда другие виды связи отсутствуют или прекра­щают работать в связи с чрезвычайными обстоятельствами. Системы KB радиосвязи остаются в эксплуатации и будут использоваться в каче­стве резервных систем для связи с воздушными и морскими судами и в силовых  ведомствах.

В настоящее время рынок отечественного оборудования систем KB радиосвязи для гражданских нужд также утерян. Потребности в обо­рудовании для гражданских нужд в основном удовлетворяются за счет импортного оборудования. В то же время сохраняется ряд производств оборудования военного назначения. В будущем рынок этого оборудо­вания  сохранится.

 

1.3.6. Оборудование сетей доступа

 

При построении сетей связи важнейшим элементом является под­ключение абонента к сети общего пользования. Большая часть подклю­чений абонентов (не менее 90 %) реализуется с использованием мед­ных проводов. Такое подключение позволяет абоненту использовать в качестве оконечного (абонентского) оборудования телефон, факсимиль­ный аппарат, а также реализовать подключение к сети Интернет. Для подключения к сети Интернет обычно используется типовой модем, ко­торый обеспечивает скорости передачи информации в диапазоне до 32 Кбит/с, полностью занимая при этом телефонную линию. Для пре­доставления услуг высокоскоростного подключения к сети Интернет по уже имеющимся медным проводам, используется специальное оборудо­вание, которое позволяет не только получить скорости подключения к сети Интернет до 5-7 Мбит/с, но и использовать телефонную линию для обычного подключения телефона или факсимильного аппарата. Такие дополнительные функции реализуются с помощью DSL-модемов раз­личных типов. Рынок этого оборудования будет расти и представляет значительный  интерес для отечественных производителей.

Беспроводной доступ к сети общего пользования реализуется с ис­пользованием двух типов оборудования. Низкоскоростной беспроводной доступ реализуется в стандарте DECT, и обеспечивает подключение те­лефонных и факсимильных аппаратов. Подключение с высокими ско­ростями (2 Мбит/с в 2001 г. и до 54 Мбит/с в 2003 г.) реализуется с использованием различных вариантов стандарта IEEE 802.11, который позволяет не только обеспечить широкополосный доступ к сети Интер­нет, но и организовать подключение телефонных и факсимильных аппа­ратов. Перспективы развития широкополосного беспроводного доступа в России весьма значительны. По оценке специалистов, доля беспровод­ного подключения к сети общего пользования достигнет к 2010 г. 10 % числа всех подключенных к сети абонентов.

За последние несколько лет для реализации новых услуг, и прежде всего услуг высокоскоростного доступа к сети Интернет, разработано и используется большое количество различных вариантов оборудования сетей доступа, причем объем рынка этого оборудования динамично ра­стет. Учитывая тот факт, что еще два-три года тому назад подобного оборудования не было на рынке, а потенциально объем использования оборудования для реализации доступа в России на период до 2010 г. со­ставит не менее 3 млрд долл. США, можно говорить о революционном росте объемов. Такой бурный рост потребует как привлечения инвести­ций для организации производства, так и создания совместного произ­водства (производств) с одним из ведущих мировых производителей обо­рудования. Участие государства в развитии производства этого обору­дования как на этапе проведения разработок, так и на этапе организации серийного производства существенно повысит привлекательность такого инвестиционного проекта для отечественных и зарубежных инвесторов. Развитие производства оборудования сетей доступа потребует инве­стиций в размере около 130 млн долл. США.

 

1.3.7. Аппаратура передачи данных

 

Наиболее крупным рынком аппаратуры передачи данных является деловой сектор — ведомственные и корпоративные сети связи, в кото­рых передача данных является основной составляющей телекоммуни­кационного трафика. В целом на ВСС передача данных занимает все большую часть трафика, поэтому основной тенденцией развития сетей является переход от наложенных сетей передачи данных к универсаль­ной сети. Соответственно меняются требования ко всем компонентам сети: коммутационному оборудованию, системам передачи, аппаратуре абонентского доступа и т.д., которые должны обеспечивать функцио­нирование  такой сети.

К специфическим видам аппаратуры передачи данных, обеспечения телематических услуг и реализации Интернета можно отнести:

•  модемы, мультиплексоры и маршрутизаторы, обеспечивающие со­здание сетей связи с различными  протоколами передачи  и  мето­дами  коммутации;

• интерактивные информационные системы, системы автоматического распределения вызовов, компьютерной телефонии;

•  средства IP-телефонии, речевой почты, аудио- и видеоконференции.

Перспективным решением  для сетей,  предоставляющих телемати­ческие услуги, является мультисервисная платформа, в состав которой входят АТМ-коммутаторы, IP-маршрутизаторы, SDH-шлюзы,  оборудо­вание широкополосного доступа, проводное абонентское оборудование xDSL,  системы  мультимедийной   коммутации,   мультимедийные  стаци­онарные  и   мобильные  терминалы.     Предприятия  отечественной   про­мышленности  производят модемы,   мультиплексоры,  оборудование по технологии  SDH  и xDSL.   В стадии  разработки находится оборудова­ние транспортной ATM-сети, средства  широкополосного доступа,  або­нентские мультимедиа-терминалы.    В настоящее время российские се­ти передачи данных оснащены в основном сетевым оборудованием за­рубежного производства  компаний Siemens,   Northern Telecom,  Alcatel, Ericsson и др. Емкость рынка оборудования для сетей передачи дан­ных, обеспечения телематических услуг и Интернета может составить до  10  млрд долл.  США.

 

1.3.8.  Аппаратура подвижной связи

 

Рынок аппаратуры подвижной связи состоит из двух крупных секто­ров — оборудования для сотовых сетей мобильной связи общего пользо­вания и оборудования профессиональных транкинговых систем, исполь­зуемых в различных отраслях народного хозяйства — в промышленно­сти, на транспорте, в сельском хозяйстве, а также в городских службах — в пожарной охране, милиции, «скорой помощи» и т.д.

Общая емкость рынка аппаратуры подвижной связи составляет око­ло 12 млрд долл. США за период до 2010 г. (в том числе оборудование мобильной сотовой связи 8,5 млрд долл. США). В настоящее время все оборудование сетей сотовой связи на отечественный рынок поставляется зарубежными фирмами. В основном это аппаратура второго поколения. В течение ближайших лет должен произойти переход к следующим по­колениям — «два с половиной» и «три», однако отечественная промы­шленность не готова включиться в этот процесс. Участие российской промышленности в развитии сотовых сетей связи может заключаться в производстве оборудования для базовых станций, по технологическому уровню доступного для отечественных предприятий.

Для оснащения транспортных предприятий и служб профессиональ­ной связью промышленность выпускает устаревшие аналоговые систе­мы. Предприятия сырьевых отраслей, добывающей и перерабатывающей промышленности, являющиеся крупными потребителями оборудования транкинговой связи, используют современное зарубежное оборудование таких фирм, как Motorola, Nokia, Standart Comm. и др. Одним из факто­ров, сдерживающих развитие производства оборудования отечественных профессиональных систем подвижной связи, является отсутствие реше­ния по выбору стандарта на перспективные цифровые транкинговые си­стемы (TETRA, АРСО 25). Разработка и развитие производства систем подвижной радиосвязи потребуют привлечения инвестиций в размере 200 млн долл. США.

 

1.3.9.  Оконечное оборудование

 

Оконечное оборудование, прежде всего телефонные и факсимиль­ные аппараты различных типов, как отмечалось в разд. 1.2, имеет зна­чительный по объему рынок, который в большей мере является конку­рентным и также представляет интерес для отечественной промышлен­ности. В настоящее время на отечественных предприятиях производятся телефонные аппараты низшей функциональной и соответственно цено­вой категории, которые пользуются устойчивым спросом у потребите­лей. Задача отечественной промышленности заключается в освоении производства аппаратов повышенной функциональной сложности, а так­же бесшнуровых телефонов и факсимильных аппаратов.

Доля видов продукции, поставляемых на внутренний рынок отече­ственными предприятиями представлена в табл. 1.5.

Отечественная промышленность располагает технологическими воз­можностями, чтобы поставить в необходимых объемах вполне конку­рентоспособное оборудование по таким видам продукции, как цифровые АТС различной номенклатуры; системы передачи для магистральных, зоновых и городских сетей синхронной цифровой иерархии с использо­ванием медных и волоконно-оптических кабелей; аппаратура абонент­ского доступа, в том числе беспроводного; радиоудлинители; мини-сотовые системы в стандарте DECT; радиорелейные станции малой и средней   емкости.

 

Литература к гл. 1

 

1.  Концепция национальной безопасности Российской Федерации.

2.  Доктрина информационной безопасности Российской Федерации.

3.  Концепция совершенствования правового обеспечения информационной без­опасности  Российской Федерации.

4.  Окинавская хартия глобального информационного общества.

5.  Федеральная целевая программа «Электронная Россия (2002-2010 годы)».

6.   Концепция развития  рынка телекоммуникационных услуг  Российской Фе­дерации.

7.  Концепция развития рынка телекоммуникационного оборудования Россий­ской Федерации на 2002-2010 годы.

                                                                                                  

Глава    2

Основы построения и функционирования

телекоммуникационных систем

 

2.1. Основные понятия и определения

в теории телекоммуникационных систем

 

Сообщение и сигнал. «Информация», «сообщение» — понятия, широко применяемые в быту и профессиональной практике. Обычно под информацией понимают сведения о каких-либо событиях, явлениях, предметах. Для передачи, хранения и преобразования информации ис­пользуются различные знаки (символы), позволяющие выразить (пред­ставить) ее в некоторой форме. Этими знаками могут быть слова и фразы в человеческой речи, тексты и рисунки, форма колебаний, мате­матические символы, буквы. Форму представления информации, обес­печивающую возможность ее передачи, называют сообщением.

Передача на расстояние сообщения, а следовательно, и заключен­ной в нем информации осуществляется с помощью какого-либо матери­ального носителя (бумаги, магнитофонной ленты, гибкого магнитного диска) или физического процесса (звуковых и электромагнитных волн, колебаний тока и напряжения и т.п.). Физический процесс, отображаю­щий передаваемое сообщение, называется сигналом. В общем, сигнал — функция времени, даже если сообщение ею не является. При этом важ­но подчеркнуть, что непосредственно сигналом является не сам физи­ческий процесс, а изменение его отдельных параметров.

Различают непрерывные (аналоговые) и дискретные (цифровые) со­общения. Аналоговые сообщения C(t) характеризуются непрерывным множеством значений, т.е. C(t) Є R, где R — множество действитель­ных чисел, t Є T — параметр (обычно время), а T — дискретное или непрерывное множество моментов времени. Дискретные сообщения мо­гут принимать лишь конечное множество значений, т.е. C(t) Є Z, где Z — подмножество целых чисел (букв). Аналогично различают непре­рывные и дискретные сигналы. При этом не обязательно дискретные сообщения преобразуются в дискретные сигналы, а непрерывные сооб­щения — в непрерывные сигналы. В ряде случаев непрерывные сигна­лы используются для передачи дискретных сообщений, а дискретные — Для передачи  непрерывных сообщений.

Рис. 2.1. Обобщенная модель системы передачи сигналов

Для любого сигнала можно указать полосу частот, в пределах ко­торой сосредоточена его основная энергия. Этой полосой определяется ширина спектра сигнала ∆F. Для радиосигналов нормами МККР уста­новлено, что в пределах отведенной полосы частот должно содержать­ся 99 % средней мощности излучения. Однако в технике связи спектр сигнала часто сознательно ограничивается. Это обусловлено тем, что и аппаратура, и канал связи имеют ограниченную полосу пропускае­мых частот. В этом случае говорят о необходимой полосе частот (ши­рине спектра сигнала), при которой имеет место допустимая степень искажения  сигнала.

Модель системы передачи сигналов. На рис. 2.1 изображена об­общенная модель системы передачи сигналов. На ней представлены: ис­точник сообщений (ИС) и получатель сообщений (ПС) (человек, различ­ного рода датчики, ЭВМ и т.п.); преобразователь сообщения в первич­ный электрический сигнал (П1) и преобразователь сигнала в сообщение (П2); передающее устройство (ПерУ), преобразующее первичный сигнал для наилучшей передачи по каналу и передающее его в канал связи; приемное устройство (ПрУ), предназначенное для извлечения сигнала из канала связи и обратного преобразования сигналов; канал связи — совокупность средств (в том числе и физическая среда), используемых для переноса сигналов из одной точки пространства в другую.

В рассматриваемой модели передача сигналов осуществляется в од­ну сторону: от источника сообщения к получателю сообщения, или от «точки к точке». Канал при этом является односторонним, реализую­щим так называемый симплексный режим передачи. Если источник и получатель сообщений поочередно меняются местами (т.е. поочередно включаются «Передача» и «Прием»), то такой режим работы называ­ется полудуплексным, а канал, обеспечивающий обмен сигналами, — поочередным двусторонним. Большие возможности для обмена предо­ставляет одновременный двусторонний канал связи, позволяющий ве­сти одновременную передачу сигналов в противоположных направле­ниях (дуплексный режим).

Преобразователем сообщения в первичный электрический сигнал П1 может быть микрофон при передаче телефонных сообщений и сигна­лов звукового вещания, аппаратура передачи данных, устройство элек­трооптического анализа в факсимильной связи и телевидении. Даль­нейшее преобразование сигналов в ПерУ осуществляется в интересах их согласования с каналом и может иметь смысл усиления, кодиро­вания,   модуляции.

Рис. 2.2. Модель цифровой системы передачи дискретных сообщений

 

В зависимости от вида передаваемых сигналов системы передачи сигналов классифицируют на цифровые (дискретные), предназначен­ные для передачи дискретных сигналов, и аналоговые, предназначен­ные для передачи аналоговых сигналов. В настоящее время наибольшее распространение получили цифровые системы передачи сигналов. Да­лее рассмотрим их более подробно при анализе передачи дискретных и  непрерывных сообщений.

Преобразование дискретного сообщения в сигнал в большинстве случаев предусматривает две операции — кодирование и модуляцию. В результате кодирования последовательность элементов сообщения за­меняется последовательностью кодовых символов. Кодирование может применяться для различных целей, в том числе и для засекречивания сообщения. Будем различать кодирование, связанное с преобразовани­ем сообщения в первичный электрический сигнал (первая ступень), и так называемое канальное кодирование (вторая ступень). Последнее по­зволяет наделить первичный сигнал свойством обнаружения и испра­вления ошибок, а также свойством широкополосности и т.д. Таким образом, целесообразно различать кодер ИС и декодер ПС и каналь­ные кодер и декодер (рис.  2.2).

Задачей кодера ИС является преобразование заданного набора зна­ков дискретного сообщения в последовательность дискретных сигна­лов — электрических импульсов постоянного тока (напряжения), име­ющих смысл, например, «О» и «1». По существу здесь совмещены две операции — собственно кодирование и преобразование кодовых симво­лов в элементы первичного электрического сигнала. Целесообразность такого преобразования обусловлена уменьшением избыточности ИС и представлением сообщения в форме, пригодной для обработки и пере­дачи (например,  в форме двоичных сигналов).

Канальное кодирование предназначено для систематического вне­сения избыточности в кодовые комбинации, поступающие от кодера ИС, и кодирования их таким образом, чтобы на приеме могли быть обнару­жены и даже исправлены возможные при передаче ошибки путем про­верки кода в канальном декодере. В ряде случаев для передачи нужно получить сигнал, имеющий достаточно частую смену символов при лю­бом виде первичного сигнала. Это может быть необходимо, например, Для обеспечения тактовой синхронизации на приемной стороне или для уменьшения  неравномерности спектрального распределения  мощности

Рис. 2.3.  Модель цифровой системы передачи аналоговых сообщений

 

передаваемого сигнала в занимаемой полосе частот. Канальное кодиро­вание подобного вида называется скремблированием сигнала. При этом в ПрУ предусмотрено обратное преобразование — дескремблирование.

Передавать первичный электрический сигнал можно без дополни­тельного преобразования, как это делается в проводных линиях связи. Однако в большинстве случаев первичный сигнал преобразуется в вы­сокочастотный модулированный сигнал. С каждым кодовым символом на выходе модулятора формируется элемент высокочастотного сигнала, что достигается модуляцией некоторого несущего колебания кодирован­ным первичным сигналом. На практике нередко применяется много­ступенчатая модуляция. При этом модулируемые вспомогательные ко­лебания предшествующих ступеней модуляции (кроме последней) на­зываются   поднесущими.

Принято различать две группы относительно самостоятельных уст­ройств ПерУ и ПрУ: кодеки и модемы. Кодеком называется совокуп­ность кодера и декодера, которые при двусторонней связи конструктив­но объединены в одно устройство. Модемом называется конструктивно совмещенная совокупность модулятора и демодулятора.

Передача аналоговых и цифровых сообщений осуществляется как с помощью аналоговых методов, так и на основе цифровых (дискрет­ных) методов. В первом случае преобразователь П1 (см. рис. 2.1) транс­формирует сообщение в непрерывный первичный электрический сигнал, который затем либо непосредственно, либо после модуляции посылает­ся в канал связи. Во втором случае первичный электрический сигнал подвергается аналогоцифровому преобразованию (АЦП) при передаче и обратному — цифро-аналоговому преобразованию (ЦАП) при прие­ме (рис.   2.3).

Среди цифровых систем передачи аналоговых сообщений особое ме­сто занимают цифровые системы передачи речи, которые можно раз­делить   на  две  группы:

•  системы, основанные на кодировании мгновенных значений речево­го сигнала или его приращений (см. рис. 2.3);

•  системы, основанные на анализе и синтезе разговорной речи.

К цифровым системам второй группы относятся вокодеры. Для этого случая схему на рис. 2.3 необходимо дополнить анализатором ре­чи при передаче и синтезатором речи при приеме. В последнее вре­мя системы, использующие вокодеры, быстро развиваются, поскольку имеют более низкую скорость передачи цифрового сигнала, чем системы первой группы.

В реальном канале сигнал при передаче искажается и сообщение воспроизводится при приеме с некоторыми ошибками, причиной кото­рых являются искажения, вносимые самим каналом, и помехи, воздей­ствующие на сигнал. В общем виде влияние помехи n(t) на передавае­мый сигнал S(t) можно выразить оператором Z = Ψ(S, п).

В частном случае, когда оператор Ψ вырождается в сумму Z = S+n, помеха называется аддитивной. Если же оператор может быть пред­ставлен в виде произведения Z = KS, то помеху называют мульти­пликативной (здесь K(t) — случайный процесс). В реальных каналах обычно имеют место и аддитивные, и мультипликативные помехи, по­этому  Z   =   KS + п.

Телекоммуникационная система. Под телекоммуникационной системой (ТКС) понимается совокупность технических и программных средств, взаимодействующих на основе заданных принципов и обеспе­чивающих передачу сообщений от отправителей к получателям. Часто телекоммуникационные системы называют системами связи.

Телекоммуникационные системы классифицируются по различным признакам: характеру передаваемых сообщений и сигналов, среде рас­пространения, виду используемых технических средств, занимаемому спектру  и  т.д.

По характеру передаваемых сообщений различают ТКС телефон­ные (видеотелефонные), телеграфные, передачи данных, факсимиль­ные (фототелеграфные), звукового вещания, телевизионные и т.п., а также интегрированные, предназначенные для передачи сообщений раз­личного  характера.

Телекоммуникационные системы могут иметь различную структуру и сложность.  Как правило, выделяют линии, направления и сети связи.

Телекоммуникационная система, обеспечивающая обмен информа­цией между двумя объектами (узлами, станциями, корреспондентами, абонентами),  называется линией связи.

Линия связи — это совокупность технических устройств и среды  распространения сигнала, обеспечивающих передачу сообщений от источника  к  получателю.

Линия связи характеризуется средой распространения (провод, эфир, стекловолокно и т.п.) и параметрами используемых сигналов (мощность, частота, вид модуляции, помехоустойчивость и т.п.).

Для передачи сигналов от одного объекта системы к другому приме­няются различные типы линий связи, основными из которых являются линии волоконно-оптической, проводной и радиосвязи. Среди линий проводной связи выделяют: воздушные, кабельные, коаксиальные ли­нии связи. Среди линий радиосвязи выделяют линии прямой связи, ра­диорелейные, тропосферные и спутниковые линии связи. Линии связи способны передавать сигналы в виде электрического тока или электро­магнитного поля в определенном частотном диапазоне.

На воздушных проводных линиях используют частоты, как правило, не выше 150 кГц, поскольку на более высоких частотах в них сильно ска­зывается мешающее действие аддитивных помех и резко возрастает за­тухание в линии. В современных симметричных кабельных линиях связи применяют сигналы, занимающие полосы частот в диапазоне, ограни­ченном сверху частотой в несколько сотен килогерц. Дополнительные мероприятия по улучшению симметрии кабельных пар позволяют уве­личивать верхний предел диапазона частот до тысяч килогерц. Коак­сиальные кабели, являвшиеся до недавнего времени основой сетей ма­гистральной дальней связи, пропускают диапазоны частот до десятков-сотен мегагерц. В настоящее время наибольшее распространение по­лучили волоконно-оптические линии связи, обеспечивающие диапазон рабочих частот до сотен  гигагерц.

В беспроводных линиях связи на передающей стороне электромаг­нитные колебания излучаются в открытое пространство с помощью ан­тенн или других излучателей, а на приемной — принимаются из откры­того пространства антеннами или приемными преобразователями.

Радиосвязь ионосферного рассеяния протяженностью 1000-2000 км использует слабый рассеянный сигнал турбулентного происхождения в области ионосферного слоя D. Потери в линиях ионосферного рассея­ния имеют значительную частотную зависимость, поэтому максималь­ная рабочая частота fmах  ≈ 60 МГц.

На метровых волнах наблюдается метеорная ионизация, которая возникает на высотах 80-120 км из-за ливневых и спорадических втор­жений в ионосферу метеорных частиц. Радиосвязь, основанная на отра­жении радиоволн от ионизированных следов метеоров, называется ме­теорной радиосвязью. Она строится по принципу прерывистой связи с использованием накопления информации и с последующей ускорен­ной   ее  передачи.

Наряду с радиорелейными линиями прямой видимости существу­ют тропосферные линии связи, в которых применяется рассеяние и от­ражение радиоволн в нижней области тропосферы при расположении тропосферных станций за пределами прямой видимости.

Особое положение среди радиолиний занимают линии спутнико­вой связи, использующие размещаемые на ИСЗ ретрансляторы. Их основным достоинством является возможность организации глобаль­ной   связи.

Оптический диапазон перекрывает область длин волн λ = 0,01— 1000 мкм, что соответствует частотам f = 3 • 1011—3 • 1016 Гц. При этом участок λ = 0,01-0,4 мкм называют ультрафиолетовой областью, λ = 0,4-0,75 мкм — областью видимых волн и λ = 0,75-1000 мкм — ин­фракрасной областью оптического диапазона. В лазерных линиях свя­зи информация передается в оптическом диапазоне электромагнитных колебаний лучом лазера. Для оптической связи используются диапазо­ны λ = 0,3-30 мкм, т.е. в основном видимые и инфракрасные волны

(f  =  3 • 1013-3·1015 Гц).

Линии связи могут иметь разную структуру и сложность. Наиболее простой является одноканальная линия связи, включающая ИС, ПС и канал связи. Здесь под каналом связи понимается фрагмент линии свя­зи, соединяющий произвольную точку на стороне источника сообщений с произвольной точкой на стороне получателя сообщений. В настоящее время, как правило, функционируют многоканальные линии связи, в ка­ждой из которых создается несколько каналов различного назначения. Процесс образования в одной физической линии нескольких каналов связи называется уплотнением линий связи.

Если в интересах повышения надежности между двумя объектами (узлами, корреспондентами), в рамках решения единой задачи органи­зуется несколько различающихся линий связи, такая телекоммуникаци­онная система называется направлением связи.

Наиболее сложным вариантом телекоммуникационной системы, обеспечивающей обмен информацией между объектами, является сеть связи. Сеть связи представляет собой систему территориально разне­сенных объектов. Она состоит из узлов, соединяющих их линий связи и образованных в  них каналов.

Основная задача, выполняемая телекоммуникационными система­ми, заключается в доставке получателю сообщения отправителя с тре­буемой достоверностью, скоростью, задержкой, надежностью и стои­мостью. Внедрение вычислительной техники в оборудование связи по­зволило расширить спектр телекоммуникационных услуг. Распределен­ная обработка данных, информационное обслуживание на основе бан­ков данных, электронная почта, проведение телеконференций и др. — далеко не полный перечень дополнительных возможностей информа­ционных  систем.

Характерным признаком современных информационных систем яв­ляется передача различных видов сообщений в цифровой форме. Этот способ передачи обладает рядом преимуществ по сравнению с аналого­вым: унификация методов передачи, обработка и распределение инфор­мации с помощью однотипных цифровых сигналов; повышение досто­верности передачи и обработки сообщений; обеспечение скрытности пе­редачи путем кодовых преобразований сообщений; нечувствительность Цифровых каналов к эффекту накопления искажений при ретрансляции; гибкость организации цифровых средств передачи и обработки данных, допускающая широкое использование электронно-вычислительной тех­ники,  цифровой  коммутации и т.п.

Международная стандартизация в области электротехники и радиоэлектроники. Все вопросы стандартизации в области электро­техники и радиоэлектроники рассматриваются Международной органи­зацией по стандартизации (МОС) (International Organization for Standartization, IOS). Круг задач, решаемых этой организацией, весьма широк и охватывает все области электротехники и радиоэлектроники.

Наряду с МОС вопросами стандартизации занимается Международ­ный союз электросвязи (МСЭ) (International Telecommunication Union, ITU), который осуществляет регламентацию международной электросвя­зи. Он призван поддерживать и расширять международное сотрудниче­ство для улучшения и рационального применения всех видов электросвя­зи, согласовывать деятельность стран, направленную на развитие техни­ческих средств и их наиболее эффективную эксплуатацию. Эту работу выполняют три комитета МСЭ: Международный комитет регистрации частот (МКРЧ) (International Frecuency Registration Board, IFRB), Ме­ждународный консультативный комитет по радио (МККР) (International Radio Consultative Committee, CCIR) и Международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии (МККТТ) (International Telegraph and Telephone Consultative Committee, CCITT).

Международный комитет регистрации частот распределяет радио­частотный спектр и регистрирует радиочастоты, чтобы избежать вза­имных помех между радиостанциями различных стран и улучшить ис­пользование спектра частот. Работу в нем ведут постоянные сотрудники МКРЧ, используя информацию, поступающую от членов МСЭ. Резуль­таты публикуются в виде рекомендаций и циркуляров.

На МККР возлагаются обязанности по проведению исследований технических, эксплуатационных и тарифных вопросов, относящихся к радиосвязи, на МККТТ — к телеграфии и телефонии. Кроме того, оба комитета представляют свои рекомендации. Работа в МККР и МККТТ осуществляется исследовательскими комиссиями. Право отмены, изме­нения существующих и принятия новых рекомендаций принадлежит пле­нарным ассамблеям, которые проводятся один раз в четыре года. После каждой пленарной ассамблеи выпускается сборник рекомендаций, отли­чающийся от изданных ранее цветом обложки («Красная книга», «Белая книга», «Зеленая книга», «Оранжевая книга» и т.д.).

 

2.2. Особенности развития

телекоммуникационных систем

 

Телекоммуникационные системы представляют собой бурно разви­вающуюся отрасль автоматизированных технологий ввода, передачи, об­работки и выдачи информации. Появление ТКС и их эволюция обусло­влены объективной закономерностью развития информационных про­цессов в природе и обществе.

Прообразом ТКС является известная с давних времен система по­чтовой связи, в рамках которой зародились и развивались принципы построения и функционирования современных ТКС. Сами же ТКС раз­вивались поэтапно, начиная с изобретения передачи сигналов (токовых посылок) по проводам, что легло в основу простейшего вида ТКС — телеграфа. Появление возможности передачи голоса привело к созда­нию телефона, а изобретение беспроводной передачи сигналов — к при­менению радиосвязи.    В результате разработки принципов частотного уплотнения сигналов возникли многоканальные системы связи. Осво­ение новых частотных диапазонов привело к появлению радиорелей­ных, тропосферных, спутниковых и волоконно-оптических линий связи. Изобретение методов импульсно-кодовой модуляции и мультиплексиро­вания дискретных каналов, а также миниатюризация элементной базы привели к массовому использованию цифровых систем связи. Благода­ря возможности передачи изображения родились факсимильная связь и телевидение. Появление компьютеров и их развитие привели к не­обходимости межмашинного обмена и, как результат, к возникновению локальных и глобальных вычислительных сетей.

В результате полуторавекового развития ТКС в различных странах в интересах различных приложений было создано огромное количество телекоммуникационных систем, отличающихся принципами построения и функционирования. Несмотря на это, в настоящее время телекомму­никационные системы продолжают бурно развиваться. Увеличиваются территории, охваченные ими, объемы передаваемой информации, по­вышается эффективность их функционирования, улучшается качество обслуживания абонентов. Современный этап также характеризуется раз­витием новых форм передачи сообщений в виде телеконференций, те­лексов, факсов, передачи различного рода изображений (движущихся и стационарных большого объема), происходит сращивание локальных вычислительных сетей с глобальными системами связи.

Неуклонное движение человечества к информационному обществу и стирание границ между государствами, организациями и людьми на информационном уровне обусловливают основное направление разви­тия современных ТКС — создание интегрированных ТКС, построенных на единых принципах, обеспечивающих передачу информации в интере­сах любых пользователей и приложений, независимо от государственной принадлежности и среды распространения сигналов.

Фактором, способствующим такому развитию ТКС, является и то, что в условиях массового использования персональных компьютеров са­ми компьютеры, оставаясь универсальными средствами обработки ин­формации, стали также универсальными средствами передачи информа­ции, обеспечивающими обработку и передачу различных приложений.

Основу современных ТКС составляют сети передачи данных (ПД). (Здесь и далее под данными понимается цифровая информация, име­ющая различную природу: файлы данных ЭВМ, телефония, телеви­дение,   факс и  др.)

Телекоммуникационные системы строятся по принципу «вложенно­сти». Оконечные Устройства — телефонные аппараты, компьютеры, ап­паратура ПД, телевизионные приемники, факсы и др. — объединяются в локальные сети (Local Area Network, LAN). Это локальные вычисли­тельные сети, корпоративные сети, учрежденческие АТС и т.п.

Локальные сети и отдельные оконечные устройства являются або­нентами общегородских сетей (Metropolitan Area Network, MAIM). А общегородские сети, наряду с отдельными локальными сетями и оконеч­ными устройствами, являются абонентами глобальных сетей (Wide Area Network, WAN). В зависимости от масштабов решаемых задач глобаль­ные сети могут быть международными (Интернет, международная теле­фонная сеть и др.), государственными (междугородная телефонная сеть и др.) и ведомственными (сети МВД, ФСБ, МО, МЧС, МПС и др.).

Бесспорной тенденцией развития ТКС является увеличение скоро­сти передачи информации. В последнее время с появлением интерфей­са FDDI (Fiber Distributed Data Interface — волоконно-оптический ин­терфейс по распределенным данным) локальные сети переместились в диапазон скоростей единицы-десятки гигабит в секунду. Прикладные программы для локальных сетей, стимулирующие это увеличение ско­ростей, включают передачу изображений, видеосигналов и современные прикладные задачи передачи распределенной информации (клиент — устройство обслуживания). Появление более быстродействующих ком­пьютерных платформ, решающих более сложные прикладные задачи, будет и далее стимулировать увеличение скорости передачи информа­ции   в локальных сетях.

В свою очередь, увеличение объемов передаваемой в локальных се­тях информации приводит к необходимости непрерывного совершенство­вания линий глобальных сетей в направлении повышения их пропускной способности, чтобы сделать возможным увеличение протяженности ка­нала универсальной вычислительной машины через глобальные сети.

Далее остановимся более подробно на рассмотрении принципов и особенностей построения современных телекоммуникационных систем.

 

2.3. Сети передачи данных

2.3.1.  Мультиплексирование

 

В локальных и особенно в глобальных сетях пропускная способность линий связи обычно значительно превышает объем передач отдельных приложений. Это делается для обеспечения одновременной передачи множества таких приложений. С этой целью применяется передача сра­зу нескольких информационных сигналов в одном носителе — мульти­плексирование.   Различают два основных вида мультиплексирования:

•   частотное  мультиплексирование   (Frequency   Division   Multiplexing, FDM), когда каждому сигналу отводится определенная доля всей частотной полосы носителя, так что на одном носителе существует одновременно несколько сигналов (каждый в своей полосе частот);

•  временное мультиплексирование (Time Division Multiplexing, TDM), когда сигналу каждого приложения выделяется вся частотная поло­са носителя, но на короткий промежуток времени — тайм-слот, так что мультиплексный сигнал представляется в виде последователь­ности сменяющих друг друга тайм-слотов, ответственных за разные

Рис. 2.4. Основные виды мультиплексирования: а — частотное; 6— временное

 

приложения. В рамках TDM различают синхронное мультиплек­сирование, когда каждому приложению соответствует один или не­сколько тайм-слотов с определенным порядковым номером в пери­одической последовательности слотов, и асинхронное, или стати­стическое, мультиплексирование, когда приписывание тайм-слотов приложениям происходит более свободным образом, например по требованию.

На рис. 2.4 показаны схемы размещения каналов при FDM и TDM. Устройство, принимающее несколько каналов от разных приложений (например, голос, видео, данные) и передающее их в виде мульти­плексного сигнала на одном носителе, называется мультиплексором (multiplexor, MUX), а устройство, выполняющее обратную функцию на другом конце линии связи, — демультиплексором (DEMUX). Обычно в системах двунаправленной связи функции мультиплексирования и де­мультиплексирования совмещаются в одном устройстве, которое также называется  мультиплексором.

Частотное мультиплексирование. Частотное мультиплексирова­ние (рис. 2.4,з) нашло широкое распространение в системах беспровод­ной радиосвязи, в мобильных телефонных системах, в абонентских те­левизионных системах. Каналы, представленные в FDM-сигнале, могут быть как аналоговыми, так и цифровыми.

Например, в сетях широковещательного телевидения исходные низ­кочастотные телевизионные сигналы различных программ посредством модуляции смещаются в определенные, отведенные специально для них области спектра — каждой области отводится полоса 6,5 МГц. Затем такой мультиплексный широкополосный сигнал (до 860 МГц) распро­страняется по эфиру или в коаксиальной кабельной системе от локаль­ных студий кабельного телевидения к абонентам.

Разновидностью FDM является волновое мультиплексирование (Wave Division Multiplexing, WDM), применяемое в волоконно-оптических системах передач, где преимущественно используется область спек­тра от 1,3 нм (230 ТГц) до 1,6 нм (188 ТГц).

Синхронное временное мультиплексирование. Синхронное мультиплексирование объединяет несколько (п) низкоскоростных ци­фровых каналов внутри одного носителя. Для синхронизации непре­рывного битового потока в мультиплексорах используются таймеры с высоким стандартом стабильности частоты. На рис. 2.4,6 показана схе­ма следования тайм-слотов при 12-канальном TDM. Номера тайм-слотов соответствуют номерам приложений. Скорость передачи информации отдельного приложения равна W/n, где W — пропускная способность (емкость) ТКС. Приложения, требующие передачи больших объемов информации, могут занимать несколько тайм-слотов.

Особенностью синхронного мультиплексирования является то, что если данные от какого-либо приложения не поступают, мультиплексор не сбрасывает тайм-слоты этого приложения в скоростном канале, а оставляет (резервирует) для него прежний временной интервал W/n, причем никакому другому -приложению это интервал (тайм-слот) не­доступен.

Мультиплексирование может осуществляться на октетном, битовом или   кадровом  уровне.

При мультиплексировании октетном уровне последовательности объемом 8 бит — октеты от каждого из приложений — циклически сменяют друг друга. При этом между входным низкоскоростным и вы­ходным мультиплексным потоками возникает задержка сигнала на вре­мя  буферизации  одного октета.

При мультиплексированиина битовом уровне происходит побитовое смешивание входных потоков. В этом случае более критичными ста­новятся требования к временным характеристикам, но уменьшается за­держка сигнала, вносимая мультиплексором. Мультиплексирование на битовом уровне используется при построении скоростных мультиплекс­ных каналов в городских коммутируемых телефонных сетях.

При мультиплексированиина кадровом уровне кадры (специальные битовые последовательности с заголовком, сигнальными полями и поля­ми данных) из входных низкоскоростных каналов смешиваются в выход­ном мультиплексном канале. Этот вид мультиплексирования наиболее характерен при построении асинхронных мультиплексоров.

Логическая топология определяет характер движения данных в мультиплексном канале. Для синхронных мультиплексных систем ха­рактерны три основных типа логической топологии: соединение «точка-точка», цепное соединение и кольцевое соединение (рис. 2.5). Возможны так же более сложные смешанные логические топологии.

Физическая топология определяет структуру телекоммуникацион­ной системы. Например, для повышения надежности сложные мульти­плексные сети, использующие логическую топологию «кольцо», строят с использованием  физической топологии  «двойное кольцо» (рис.  2.6).

Рис. 2.6. Физическая топология, «двойное TDM-колыдо», повышает надежность сети в случае повреждения одного из сегментов сети или выхода из строя одного

из мультиплексоров

 

В нормальном состоянии активно первичное кольцо, по вторичному кольцу данные не идут. При повреждениях канала связи или одного из мультиплексоров первичного кольца происходит свертывание логи­ческого кольца, при этом активизируется вторичное кольцо и общая целостность сети сохраняется. Физическая топология «двойное кольцо» используется в синхронных сетях SDH, а также в некоторых локальных сетях Token   Ring,   DQDB,   FDDI.

Статистическое (асинхронное) временное мультиплексирова­ние. Высокая нестабильность трафика, свойственная сетям передачи данных, привела к разработке более гибкого метода мультиплексиро­вания — статистического. В этом методе тайм-слоты не закрепляются жестко за каналами и могут более свободно распределяться под прихо­дящие по разным каналам данные. Здесь моменты времени прибытия данных, а не номера низкоскоростных каналов определяют последова­тельность, в которой данные от разных каналов размещаются в тайм-слоты. Каждый раз, когда тайм-слот испускается в мультиплексную линию, мультиплексор добавляет к нему специальный идентификатор, по которому демультиплексор на другом конце определяет, в какой вы­ходной канал перенаправить содержимое данного тайм-слота. Если на вход мультиплексора данные не поступают, то он передает пустые тайм-слоты с пустыми полями идентификаторов. Асинхронность выражается не в асинхронном  испускании тайм-слотов — они следуют строго регулярно, а е допустимости асинхронного размещения приходящих дан­ных  в  тайм-слоты.

 

Заметим, что идентификатор, выполняя очень важную функцию в этом методе мультиплексирования, является служебной информаци­ей и, таким образом, уменьшает временную полосу, которая могла бы использоваться  для  передачи  данных.

Статистический TDM мультиплексор предоставляет приложению такой временной диапазон, который оно запрашивает, если, конечно, эта величина не превосходит свободной емкости мультиплексной ли­нии. Суммарная величина временных полос пропускания низкоскорост­ных каналов, входящих в мультиплексор, может превосходить общую временную полосу пропускания скоростного канала. Передать такой по­ток информации удается благодаря тому, что не все низкоскоростные приложения осуществляют одновременно передачу.

Статистическое мультиплексирование требует более сложного упра­вления и значительно большей вычислительной мощности оборудова­ния,   чем  синхронное.

Статистическое мультиплексирование используется в сетях с про­токолами  Х.25,   Frame  Relay и ATM.

Инверсное мультиплексирование. Если обычное мультиплекси­рование объединяет п низкоскоростных каналов в один высокоскорост­ной, то инверсное мультиплексирование можно рассматривать как обрат­ную процедуру, то есть как способ передачи высокоскоростного пото­ка данных по нескольким независимым каналам с меньшей пропускной способностью, которые существуют на промежуточном участке между точками входа и выхода скоростного потока (рис. 2.7).

Инверсное мультиплексирование используется для передачи широ­кополосного сигнала, который не способен разместиться в одном не­зависимом канале имеющейся телекоммуникационной сети. Например, сигнал видеоконференции емкостью 384 кбит/с не может быть передан по каналу 64 кбит/с, но может быть разбит и размещен в шести таких каналах и вновь собран на другом конце. Инверсное мультиплексирова­ние также используют, когда мультиплексор (или коммутатор) на про­межуточном узле магистральной сети не может обрабатывать емкости больше заданной,   например  64 кбит/с.

На приемной стороне инверсный демультиплексор получает инфор­мацию с разных каналов и проводит сборку сигнала — эта процедура мо­жет требовать переупорядочения потоков из разных сегментов и компен­сации задержек, возникающих в различных низкоскоростных сегментах.

 

2.3.2. Сети с коммутацией каналов и пакетов

 

Передача данных между двумя удаленными оконечными сетевыми устройствами обычно осуществляется через промежуточные сетевые уз­лы — узлы коммутации. В качестве оконечного устройства могут вы­ступать рабочая станция, хост-компьютер, терминал, телефон или дру­гое коммуникационное устройство. Совокупность оконечных устройств, узлов коммутации и соединяющих их линий связи образует сеть пере­дачи данных (рис.   2.8).

На рис. 2.9 схематично представлен спектр технологий коммута­ции, используемых при передаче данных по сети. Рассмотрим их бо­лее   подробно.

Коммутация каналов. Соединение оконечных устройств для обме­на данными в сетях с коммутацией каналов состоит в том, что на время передачи сообщения в сети создается канал, обеспечивающий как прави­ло, фиксированную скорость передачи данных. Характерным примером сетей с коммутацией каналов являются телефонные сети с множеством АТС, включая традиционные аналоговые и более современные цифровые сети  ISDN.

 

Особенностью таких сетей является длительное время установления соединения (в аналоговых сетях от единиц секунд и более).

Организация  связи   с  коммутацией   каналов  включает  три   фазы: установление канала, передача данных и отсоединение канала.

1.   Установление канала.  Для простоты рассмотрим передачу дан­ных в одном направлении.   Пусть абонент А (см. рис. 2.8) хочет пере­дать данные абоненту Е. Для передачи данных необходимо установить канал, соединяющий оконечные станции через цепь узлов.   Например, станция А по выделенной соединительной линии посылает запрос узлу 4 с требованием установить соединение со станцией Е.   Узел 4 должен определить следующий узел в маршруте к узлу 6.   Учитывая  инфор­мацию о маршрутах и анализируя стоимости каналов, узел 4 выбирает канал,  например,  к узлу 5,  выделяя в этом канале (используя  муль­типлексирование TDM или FDM) соответствующую полосу (частотную или временную).   В результате выделенный  канал устанавливается от абонента А через узел 4 до узла 5. При этом, поскольку к узлу 4 может быть подключено несколько станций, он должен обеспечить внутренние маршруты сигналов от множества станций к множеству узлов.   Далее узел 5 по аналогии с узлом 4 устанавливает канал к узлу 6 и внутренне привязывает этот канал к каналу, идущему от узла 4. Узел 6 завершает соединение с абонентом Е.   Таким образом, сформирован маршрут пе­редачи данных: через сегмент А-4, внутреннюю коммутацию на узле 4, сегмент 4-5, внутреннюю коммутацию на узле 5, сегмент 5-6, внутрен­нюю коммутацию на узле 6 и сегмент 6-Е.

Установление обратного канала осуществляется аналогично.

2.  Передача данных.  По завершении соединения проводится тести­рование, определяющее, свободен ли абонент Е, готов ли он принимать данные.   Если абонент Е свободен, осуществляется передача данных от абонента А абоненту Е через сеть по сформированному маршруту. Дан­ные могут быть цифровыми (например, взаимодействие терминала с хо­стом) или аналоговыми (например, передача голоса).   Сигнализация и передача также могут быть как цифровыми, так и аналоговыми.

3.    Отсоединение канала.    После завершения  передачи  данных и соответствующей команды от одной из станций соединение ликвидиру­ется (терминируется).    Сигналы  разъединения  должны  пройти  по уз­лам 4,  5, 6,  чтобы высвободить их ресурсы для обеспечения следую­щих соединений   в сети.

Коммутация каналов имеет следующий недостаток. Емкость сфор­мированного канала выделяется на все время соединения оконечных устройств и не доступна для других приложений, даже если данные не передаются. Для телефонных сетей эффективность голосового кана­ла весьма далека от 100 %. Еще хуже обстоит дело при подключении удаленного терминала к хосту, когда данные могут вовсе не идти в те­чение долгого времени,  и канал будет простаивать.    В то же время, с точки зрения пользователя, преимуществом коммутации каналов явля­ется то, что задержка начала передачи данных имеет место только на этапе установления соединения. Если же соединение установлено, то сеть прозрачна по отношению к конечным устройствам и данные идут практически  без задержек.

Коммутация пакетов. Протяженные телекоммуникационные се­ти с коммутацией каналов создавались для передачи голоса. В этих сетях ресурсы внутри сети выделяются под определенные телефонные вызовы. Для голосового соединения это неплохо, поскольку один из абонентов обычно говорит, и канал не простаивает. Можно сказать, что дуплексный канал при телефонной связи используется на 50 %. Полоса пропускания этих каналов оптимизирована, чтобы обеспечить приемле­мое качество передачи речи. Однако при использовании таких теле­коммуникационных сетей для передачи данных между компьютерами появляются два очевидных недостатка.

1.   При типовом соединении (например, терминал-хост) значительную часть времени канал связи может простаивать. Это снижает эффек­тивность телекоммуникационной сети в целом, поскольку коммута­ция каналов не предполагает использования  выделенного канала для других приложений.

2.   В сетях с коммутацией каналов соединение обеспечивает передачу на постоянной скорости. Поэтому любой паре устройств терминал-хост будет предоставлена одна и та же фиксированная скорость, что ограничивает возможности сети по обслуживанию пользователей, использующих разнотипные хосты и терминалы.

Сеть с коммутацией пакетов способна устранить эти недостатки.

Данные в такой сети передаются в виде блоков, называемых пакета­ми (или кадрами). Обычно верхний предел длины пакета, в зависи­мости от используемого стандарта, составляет от тысячи до несколь­ких тысяч  байтов.

Если пользователь желает передать данные объемом больше мак­симальной длины пакета, то данные разделяются на несколько паке­тов  (рис.   2.10).

Каждый пакет имеет поле данных, заголовок, другие служебные поля, расположенные в начале или в конце пакета. Поле заголовка, как минимум, включает информацию, необходимую узлу сети для пе­ренаправления (маршрутизации) пакетов в нужный канал. Возможна буферизация пакетов на узле.

Передача сообщений при пакетной коммутации осуществляется сле­дующим образом. Рабочая станция или другое сетевое устройство по­сылают сообщение (например, файл данных) в виде последовательно­сти пакетов. Каждый пакет наряду с данными содержит управляющую и/или контрольную информацию, в частности адрес станции назначе­ния, или идентификатор маршрута. Пакет первоначально посылается на узел, к которому подключена передающая станция. Узел, получая пакет, определяет по контрольной информации дальнейший маршрут и на основании этого направляет пакет в выходной порт соответствующего канала. Если связь между узлами по этому каналу исправна, пакет пере­дается на соседний узел. Все пакеты последовательно «отрабатывают» свои пути, двигаясь через сеть к нужной станции назначения. Коммута­ция пакетов имеет несколько преимуществ перед коммутацией каналов.

1.  Эффективность использования сети в целом при пакетной комму­тации выше, поскольку сегменты сети могут динамически распределять свои ресурсы между многими пакетами от разных приложений.

2.  Сеть с пакетной коммутацией может осуществлять преобразова­ние скорости передачи данных, что обеспечивает возможность обмена пакетами между станциями, подключенными к соответствующим узлам сети каналами разной полосы пропускания, а также между различными по скорости приема/передачи данных оконечными устройствами.

3.   В сетях с пакетной коммутацией, если на передающем узле со­бирается больше пакетов, предназначенных для отправки по определен­ному каналу, чем может вместить этот канал, то пакеты помещаются в буфер и устанавливается очередность передачи  пакетов.    При этом передача пакетов сохраняется, хотя и могут возникать задержки с до­ставкой пакетов или может уменьшаться скорость передачи.   В анало­гичных условиях сеть с коммутацией каналов отказывает новым поль­зователям  в обслуживании.

4.    В сетях с пакетной коммутацией можно использовать систему приоритетов. Пакеты с высоким приоритетом будут доставляться с мень­шей задержкой, чем пакеты с низким приоритетом.

Сети с коммутацией пакетов бывают двух типов: дейтаграммные сети и сети с виртуальными  каналами.

В дейтаграммной сети каждый пакет передается независимо от па­кетов, переданных до или после него (рис. 2.11). Эти пакеты называются дейтаграммами. В таких сетях функцию восстановления правильной по­следовательности пакетов, а также функцию обнаружения потерянных пакетов берет на себя конечный узел маршрута или станция-получатель.

В сети с виртуальными каналами по передачи пакетов определяется маршрут их следования. Этот маршрут служит для поддержки логиче­ского соединения между удаленными станциями. Если маршрут устано­влен, то все пакеты между взаимодействующими станциями будут идти строго по этому маршруту (рис. 2.12). Поскольку на время логического

соединения маршрут строго фиксирован, то такое логическое соедине­ние в некоторой степени аналогично образованию канала в сетях с ком­мутацией каналов и называется виртуальным каналом. Каждый пакет наряду с полем данных содержит идентификатор виртуального канала. Поэтому в сетях с виртуальными каналами узлы не принимают реше­ния о выборе маршрута для каждого входящего пакета, а выполняют имеющиеся в самом пакете инструкции.

Преимущества сети с виртуальными каналами:

1.  Сеть может поддерживать ряд служб, связанных с виртуальными каналами, включая порядок следования, контроль ошибок и контроль потока.    Правильный   порядок следования легко поддерживается,   по­скольку все пакеты следуют одним и тем же маршрутом и прибывают в первоначально установленной  последовательности.    Служба контро­ля ошибок гарантирует не только то, что пакеты прибывают в нужной последовательности, но и то, что все пакеты на приемной стороне кор­ректны.   Например, если один из пакетов в последовательности «поте­рян» или пришел на узел коммутации с ошибкой, то этот узел может послать запрос на предыдущий узел с просьбой повторить соответству­ющий пакет последовательности.  Служба контроля потока гарантирует, что отправитель не может «завалить» получателя данными.  Например, если станция В буферизует данные от станции А и видит, что приемный буфер близок к переполнению, то она может просигнализировать через обратный виртуальный канал о необходимости уменьшить или времен­но прекратить передачу данных от станции А.

2.   Пакеты передаются по сети быстрее, поскольку узлы не прини­мают решения о маршрутизации  пакетов.

Преимущества дейтаграммной сети:

1.    При  передаче пакетов в дейтаграммной сети отсутствует фаза установления логического виртуального канала.

2.   Дейтаграммная технология более примитивна и имеет большую гибкость и надежность, поскольку в дейтаграммной сети при перегрузке (отказе) одного из узлов другие узлы могут перенаправить приходящие пакеты в обход перегруженного (отказавшего) узла.

3.  Доставка самой дейтаграммы более надежна. При использовании виртуальных  каналов,  если узел  повреждается,  все проходящие через него виртуальные каналы также разрушаются.

Коммутация каналов на разных скоростях и сети ISDN. Один из недостатков сетей с коммутацией каналов — это отсутствие гибко­сти в отношении предоставляемой полосы пропускания. Если станция подключена к традиционной телекоммуникационной сети с коммутаци­ей каналов, она вынуждена работать на определенной скорости пере­дачи данных. Эта скорость (полоса пропускания) будет предоставлена станции независимо от приложения.В результате приложение с низкой скоростью будет неэффективно использовать предоставленный  канал, а приложение,  которому требуется высокая скорость передачи данных, наоборот, будет ограничено в выделенной емкости канала.

Для обеспечения эффективного использования канала реализует­ся расширенная служба предоставления канала, известная как комму­тация каналов на разных скоростях. Эта технология объединяет ком­мутацию каналов с мультиплексированием. Станция подключается к сети с помощью единственного канала связи. По этому каналу могут передаваться данные на разных предварительно установленных скоро­стях или/и с определенной дискретизацией. На узле коммутации осу­ществляется сборка таких потоков в единый групповой поток для пе­редачи их через сеть в заданных направлениях. Примером такой сети служит цифровая сеть с интегрированным обслуживанием (Integrated Service  Digital  Network,   ISDN).

ISDN представляет собой коммутируемую систему связи с комплек­сом услуг по передаче как данных, так и голоса. Определены два ин­терфейса доступа к ISDN: интерфейс базового доступа BRI (Basic Rate Interface) и интерфейс основного доступа PRI (Primary Rate Interface). BRI (144 Кбит/с) обеспечивает два речевых канала типа В со скоро­стью передачи 64 Кбит/с и один сигнальный канал типа D со скоро­стью передачи 16 Кбит/с (2В+D). PRI позволяет работать с каналами  Т1 (1,544 Мбит/с) и Е1 (2,048 Мбит/с), которые разделены на 23 и 30 каналов типа В соответственно и, кроме Этого, имеют один сигнальный D-канал полосой 64 Кбит/с (23B+D или 30B+D).

Формируемая в ISDN линия связи может использовать как отдель­ный В-канал, так и их комбинацию для достижения большей полосы пропускания. Как установление, так и разъединение связи между або­нентами осуществляются по командам, передаваемым по сигнальному каналу D, и происходят почти мгновенно.

ISDN широко распространены сегодня как альтернатива традици­онным аналоговым  абонентским сетям.

Протокол Х.25. Протокол передачи данных с коммутаций паке­тов Х.25 разработан комитетом МККТТ (ныне ITU-T) для линий связи с большим уровнем помех, например для аналоговых телефонных ли­ний. Для обеспечения требуемой достоверности передачи информации используется многоуровневая система обнаружения и коррекции ошибок.

Каждый узел коммутации сети Х.25 на пути движения пакета про­веряет целостность пакета, считывает контрольную сумму, вычисленную при передаче и содержащуюся в его заголовке, находит ее значение для полученного пакета и сравнивает эти два значения. При небольшом ко­личестве ошибок узел восстанавливает пакет и передает его дальше по пути следования. При этом узел посылает подтверждение предыдущему узлу о корректном приеме пакета. Если же восстановить пакет невоз­можно, делается запрос на его повторную передачу.

Скорость передачи информации зависит от уровня помех и вызван­ных ими ошибок. Высокий уровень помех на линии приводит к падению скорости передачи, и по этой причине многие сети с пакетной коммута­цией работают со скоростью передачи данных в канале до 64 Кбит/с.

Протокол Х.25 используется как эффективное средство удаленно­го доступа к хост-машинам. На основе коммутаторов Х.25 несколько пользователей одновременно могут общаться с одним хостом, причем каждый пользователь загружает канал связи с хост-машиной только на время передачи информации, оставаясь при этом на связи и в другие моменты времени. Поддержка связи обеспечивается благодаря устано­влению логического соединения или виртуального канала.

Ретрансляция кадров Frame Relay. Протокол Frame Relay раз­работан для использования на линиях связи с низким уровнем помех, каковыми являются волоконно-оптические магистрали. Именно поэто­му в протоколе Frame Relay нет избыточности, характерной для Х.25. В Frame Relay устранена система контроля ошибок всего кадра. Вместо этого сетевой коммутатор проверяет целостность полученного кадра и только для адресного поля осуществляет контроль ошибок. Если хотя бы один из этих тестов не проходит, коммутатором посылается запрос на повторную передачу кадра. Названные меры позволили обеспечить подключение пользователей в глобальные телекоммуникационные се­ти со скоростью до 2  Мбит/с.

Сети Frame Relay, первоначально предназначенные для объедине­ния локальных вычислительных сетей (ЛВС), сегодня обслуживают ши­рокий диапазон потоков данных. В то же время в сетях Frame Relay возможны задержки в следовании пакетов и вариации этих задержек в широких пределах из-за передачи протяженных кадров разной длины и варьирования битовой скорости потока данных по причине статисти­ческого мультиплексирования пакетов разной длины. Эти свойства не­приемлемы для служб передачи голоса и видеоизображений, особенно при большой загруженности  сети.

Интерфейс Frame Relay, безусловно, останется пользовательским, но при подключении к глобальной сети он будет преобразовываться в более универсальный  протокол ATM.

Ретрансляция ячеек Cell Relay. Ретрансляция ячеек, более извест­ная как ATM, представляет собой кульминацию исследований в области пакетной коммутации и коммутации каналов на протяжении последних 20 лет. Удобно рассматривать технологию ретрансляции ячеек как эво­люцию технологии ретрансляции кадров. Главным отличием между ни­ми является то, что Frame Relay использует пакеты переменной дли­ны, a Cell Relay — фиксированной длины (53 байта), которые называ­ются ячейками и состоят из сокращенного до минимума заголовка (5 байт) для выполнения контроля и информационной части (48 байт). Если Frame Relay обычно обеспечивает скорость канала подключения для конечного пользователя к сети до 2 Мбит/с, то ATM позволяет подключать конечных пользователей на скорости от десятков до со­тен   мегабит  в  секунду.

 

2.3.3.    Иерархии цифровых систем передачи

 

Необходимость объединения и разделения потоков информации, пе­редаваемой в телекоммуникационных системах, предопределила иерар­хический принцип построения первичной сети. Применительно к ци­фровым системам передачи (ЦСП) этот принцип заключается в том, что число каналов ЦСП, соответствующее данной ступени иерархии, больше числа каналов ЦСП предыдущей ступени в целое число раз.

Аналоговые системы передачи с частотным разделением каналов также строятся по иерархическому принципу, но в отличие от ЦСП для них ступенями иерархии являются не системы передачи, а типо­вые  группы   каналов.

Цифровая система передачи, соответствующая первой ступени ие­рархии, называется первичной; в этой ЦСП осуществляется прямое пре­образование относительно небольшого числа первичных сигналов в пер­вичный цифровой поток. Системы передачи второй ступени иерархии объединяют определенное число первичных потоков во вторичный ци­фровой   поток  и  т.д.

В рекомендациях ITU-T представлено два типа иерархий ЦСП: плезиохронная цифровая иерархия (ПЦИ) и синхронная цифровая иерархия (СЦИ). Первичным сигналом для всех типов ЦСП является цифровой поток со скоростью передачи 64 кбит/с, называемый основным цифро­вым каналом (ОЦК). Для объединения сигналов ОЦК в групповые вы­сокоскоростные цифровые сигналы используется рассмотренный ранее принцип  временного разделения  каналов.

Появившаяся исторически первой плезиохронная цифровая иерар­хия (Plesiochronous Digital Hierarchy, PDH) имеет европейскую, северо­американскую и японскую разновидности (табл. 2.1).

В североамериканской и японской PDH для цифровых потоков при­меняется обозначение Т (иногда DS), в европейской PDH — Е, а в япон­ской — J. Цифровые потоки первого уровня обозначаются соответствен­но Т1 и Е1, второго Т2 и Е2 и т.д. На практике используются цифровые потоки до Е4 и ТЗ включительно.

Для сетей связи РФ принята европейская PDH.

Скорости цифровых потоков одной и той же ступени PDH, но обра­зуемых ЦСП, расположенными на различных станциях сети, могут отли­чаться друг от друга в пределах допустимой нестабильности частот зада­ющих генераторов. Именно поэтому рассматриваемая иерархия ЦСП на­зывается плезиохронной. Наличие нестабильности задающих генерато­ров требует принятия специальных мер при объединении потоков в поток более высокой ступени иерархии, что заметно усложняет эксплуатацию первичной сети связи в целом и снижает ее качественные показатели.

На сети связи РФ эксплуатируются цифровые системы передачи PDH отечественного и зарубежного производства. Отечественные си­стемы   носят  название   ЦСП   с   ИКМ   (цифровые  системы   передачи   с

импульсно-кодовой модуляцией). Вместо уровня иерархии в обозначе­нии системы указывается число информационных ОЦК данной систе­мы. Так, ЦСП первого уровня иерархии обозначается ИКМ-30, вто­рого — 1/1КМ-120  и т.д.

 

2.4. Введение в протоколы и архитектуру сетей

2.4.1. Основные понятия

                                                    

Для реализации процедуры обмена сообщениями между пользова­телями или прикладными программами, работающими на различных средствах сети, эту процедуру декомпозируют на несколько иерархиче­ски связанных между собой частных задач, то есть используют много­уровневый подход. При передаче сообщений участники сетевого обме­на должны принять множество соглашений. Например, они должны согласовать уровни и форму электрических сигналов, способ определе­ния длины сообщений, договориться о методах контроля достоверно­сти и т.д. Другими словами, соглашения должны быть приняты для всех уровней, начиная от самого низкого уровня передачи бит до самого высокого уровня, детализирующего, как информация должна быть ин­терпретирована. Такие формализованные правила, определяющие по­следовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сете­вые компоненты, лежащие на одном иерархическом уровне, но в разных узлах,   называются  протоколами.

Иерархически организованная совокупность протоколов, решающих задачу взаимодействия узлов сети, называется стеком коммуникацион­ных протоколов.

Протоколы соседних иерархических уровней, находящихся в одном узле, взаимодействуют друг с другом также в соответствии с четко опре­деленными правилами и с помощью стандартизованных форматов со­общений. Эти правила принято называть интерфейсом. Интерфейс определяет набор услуг, которые нижележащий уровень предоставля­ет  вышележащему.

Рис 2.13. Модель взаимодействия открытых систем ISO/OSI

 

Международная организация по стандартам (International Standards Organization, ISO) разработала модель, которая четко определяет уров­ни взаимодействия систем. Эта модель называется моделью взаимодей­ствия открытых систем (Open System Interconnection, OSI), или моделью ISO/OSI. В модели OSI взаимодействие делится на семь уровней, или слоев, как показано на рис. 2.13. Каждый уровень имеет дело с одним определенным аспектом взаимодействия. Таким образом, проблема вза­имодействия разделена на семь частных проблем, любая из которых мо­жет быть решена независимо от других. Каждый уровень поддерживает интерфейсы с выше- и нижележащими уровнями.

Модель OSI описывает только системные средства взаимодействия, не касаясь приложений конечных пользователей. В свою очередь, обра­щаясь к системным средствам, приложения реализуют свои собственные протоколы взаимодействия. Следует заметить, что приложение может взять на себя функции некоторых верхних уровней модели OSI. В таком случае для обмена данными оно обращается к системным средствам, выполняющим функции оставшихся нижних уровней модели OSI.

Приложение конечного пользователя может использовать систем­ные средства взаимодействия не только для организации диалога с при­ложением, выполняющимся на другом терминале (ЭВМ), но и для по­лучения услуг того или иного сетевого сервиса, например, доступа к удаленным файлам, получения электронной почты или печати на раз­деляемом   принтере.

Рассмотрим работу модели OSI. Пусть приложение обращается с запросом к прикладному уровню, например к файловому сервису. На основании этого запроса программное обеспечение прикладного уровня формирует сообщение стандартного формата, в которое помещает слу­жебную информацию (заголовок) и, возможно, передаваемые данные. Затем это сообщение направляется представительному уровню. Пред­ставительный уровень добавляет к сообщению свой заголовок и переда­ет результат вниз сеансовому уровню, который, в свою очередь, добавляет свой заголовок, и т.д.

Некоторые реализации протоколов преду­сматривают наличие в сообщении не только заголовка, но и концевика. Наконец, сообщение достигает самого нижнего физического уровня, ко­торый непосредственно передает его по линиям связи. Когда сообщение по сети поступает на другой терминал (ЭВМ), оно последовательно пе­ремещается вверх с уровня на уровень. Каждый уровень анализирует, обрабатывает и удаляет заголовок своего уровня, выполняет соответ­ствующие данному уровню функции и передает сообщение вышележа­щему уровню. Процесс преобразования информации при ее передаче по каналам ТКС показан на рис. 2.14.

В модели OSI используются два основных типа протоколов. Пер­вый тип — протоколы с установлением соединения (Connection-Oriented Network Service, CONS) — предполагает, что перед обменом данными отправитель и получатель должны сначала установить соединение и, возможно, выбрать протокол, который они будут использовать, а по­сле завершения диалога они должны разорвать это соединение. Вто­рой тип протоколов — без предварительного установления соединения (Connectionless Network Service, CLNS) — предполагает, что отправитель передает сообщение сразу по его готовности; такие протоколы называ­ются дейтаграммными. При взаимодействии пользователей (компьюте­ров)  применяются  и те,   и  другие.

 

2.4.2. Функции уровней модели OSI

 

Физический уровень. Этот уровень имеет дело с передачей бит по физическим каналам, таким, например, как волоконно-оптический ка­бель, коаксиальный кабель, витая пара или радиоканал. К этому уровню имеют отношение характеристики физических сред передачи данных: полоса пропускания, помехозащищенность и др. На этом же уровне определяются характеристики электрических сигналов, например требо­вания к уровню напряжения (тока) передаваемого сигнала, тип кодиро­вания, скорость передачи сигналов. Кроме того, здесь стандартизуются типы разъемов и назначение каждого контакта.

Функции физического уровня реализуются во всех устройствах, под­ключенных к сети. Со стороны терминала (компьютера) функции физи­ческого уровня выполняются сетевым адаптером. Единственным типом сетевого оборудования, которое работает только на физическом уров­не,  являются  повторители.

Примером протокола физического уровня может служить специфи­кация 10 Base-T технологии Ethernet, которая определяет в качестве ис­пользуемого кабеля неэкранированную витую пару категории 3 с волно­вым сопротивлением 100 Ом, разъем RJ-45, максимальную длину физи­ческого сегмента 100 м, манчестерский код для представления данных в кабеле и ряд других характеристик среды и электрических сигналов.

Канальный уровень. Протоколы физического уровня при пере­сылке бит не учитывают, что в некоторых сетях, в которых линии свя­зи используются попеременно несколькими парами взаимодействующих терминалов (компьютеров), физическая среда передачи может быть за­нята. Поэтому одной из задач канального уровня является проверка доступности среды передачи. Другая задача канального уровня — ре­ализация механизмов обнаружения и коррекции ошибок. Для этого на канальном уровне биты группируются в наборы, называемые кадрами (frame). Канальный уровень обеспечивает корректность передачи ка­дров, помещая специальную последовательность бит в начало и в конец каждого кадра, чтобы отметить его, а также вычисляет контрольную сумму, суммируя все байты кадра определенным способом и добавляя контрольную сумму к кадру. Когда кадр приходит, получатель снова вы­числяет контрольную сумму полученных данных и сравнивает результат с контрольной суммой из кадра. Если они совпадают, кадр считается правильным и принимается. Если же контрольные суммы не совпа­дают,  то фиксируется ошибка.

В локальных сетях протоколы канального уровня используются в терминалах компьютерах, мостах, коммутаторах и маршрутизаторах. В компьютерах функции канального уровня реализуются совместно сете­выми  адаптерами  и  их драйверами.

Сетевой уровень. Протокол канального уровня обеспечивает до­ставку данных между любыми узлами только в сети с соответствующей типовой топологией. Это очень жесткое ограничение, которое не позво­ляет строить сети с развитой структурой, например сети, объединяющие несколько сетей предприятия в единую сеть, или высоконадежные се­ти, в которых существуют избыточные связи между узлами. Для того чтобы, с одной стороны, сохранить простоту процедур передачи данных для типовых топологий, а с другой — допустить использование произ­вольных топологий, вводится дополнительный сетевой уровень. На этом уровне вводится более узкое понятие «сеть». В данном случае под се­тью понимается совокупность терминалов (компьютеров), соединенных между собой в соответствии с одной из стандартных типовых топологий и использующих для передачи данных один из протоколов канального уровня, определенный для этой топологии.

Таким образом, внутри сети доставка данных регулируется каналь­ным уровнем, а вот доставкой данных между сетями занимается сете­вой уровень. Сообщения сетевого уровня принято называть пакетами (packet). При организации доставки пакетов на сетевом уровне исполь­зуется понятие «номер сети». В этом случае адрес получателя состоит из номера сети и номера терминала (компьютера) в этой сети.

Сети соединяются между собой специальными устройствами, назы­ваемыми маршрутизаторами. Маршрутизатор — это устройство, кото­рое собирает информацию о топологии межсетевых соединений и на ее основе пересылает пакеты сетевого уровня в сеть назначения. Для того чтобы передать сообщение от отправителя, находящегося в одной се­ти, получателю, находящемуся в другой сети, нужно совершить некото­рое количество транзитных передач между сетями, каждый раз выбирая подходящий маршрут. Таким образом, маршрут представляет собой по­следовательность маршрутизаторов, через которые проходит пакет. За­дача выбора наилучшего пути называется маршрутизацией, и ее решение является главной задачей сетевого уровня. При этом возможны различ­ные критерии выбора маршрута, такие, например, как время передачи данных по маршруту, надежность передачи и др. К сожалению, самый короткий  путь не всегда самый лучший.

На сетевом уровне выделяется два типа протоколов. Протоколы первого типа определяют правила передачи пакетов. Именно эти прото­колы обычно имеют в виду, когда говорят о протоколах сетевого уровня. Протоколы второго типа, называемые протоколами обмена маршрутной информацией, обеспечивают сбор маршрутизаторами информации о то­пологии   межсетевых соединений.

Протоколы сетевого уровня реализуются программными модулями операционной системы, а также программными и аппаратными средства­ми маршрутизаторов. Примерами протоколов сетевого уровня являют­ся протокол межсетевого взаимодействия IP стека TCP/IP и протокол межсетевого обмена пакетами IPX стека Novell.

Транспортный уровень. На пути от отправителя к получателю па­кеты могут быть искажены или утеряны.   Задача транспортного уровня заключается в том, чтобы обеспечить приложениям или верхним уров­ням стека (прикладному и сеансовому) передачу данных с требуемой степенью надежности. Модель OSI определяет пять классов сервиса, предоставляемых транспортным уровнем. Эти виды сервиса отличают­ся качеством предоставляемых услуг: срочностью, возможностью вос­становления прерванной связи, наличием средств мультиплексирования нескольких соединений между различными прикладными протоколами через общий транспортный протокол, а главное — способностью к обна­ружению и исправлению ошибок передачи, таких как искажение, потеря и  дублирование  пакетов.

Выбор класса сервиса транспортного уровня определяется, с одной стороны, тем, в какой степени задача обеспечения надежности решается самими приложениями и протоколами более высоких, чем транспорт­ный, уровней, а с другой — этот выбор зависит от того, насколько на­дежной является вся система транспортировки данных в сети. Так, если качество каналов связи высокое и вероятность возникновения ошибок, не обнаруженных протоколами более низких уровней, невелика, то разумно воспользоваться одним из облегченных сервисов транспортного уровня, не обремененных многочисленными проверками и приемами повышения надежности. Если же транспортные средства изначально ненадежны, то целесообразно обратиться к наиболее развитому сервису транспортного уровня, который работает, используя максимум средств для обнаруже­ния и устранения ошибок. К таким средствам относятся: предваритель­ное установление логического соединения, контроль доставки сообще­ний с помощью контрольных сумм и циклической нумерации пакетов, установление тайм-аутов доставки и т.п.

Начиная с транспортного уровня, все вышележащие протоколы ре­ализуются программными средствами, обычно включаемыми в состав сетевой операционной системы. В качестве примера транспортных про­токолов можно привести протоколы TCP и UDP стека TCP/IP и про­токол  SPX стека  Novell.

 Сеансовый уровень. Сеансовый уровень обеспечивает управление обменом информацией для того, чтобы фиксировать, какая из сторон является активной в настоящий момент, а также предоставляет средства синхронизации, позволяющие вставлять контрольные точки в длинные передачи, чтобы в случае отказа можно было вернуться назад к послед­ней контрольной точке, вместо того чтобы начинать передачу сначала. На практике немногие приложения используют сеансовый уровень, и он  редко реализуется.

Уровень представления. Этот уровень обеспечивает гарантию то­го, что информация, передаваемая прикладным уровнем, будет понятна прикладному уровню в другой системе. В случае необходимости уро­вень представления выполняет преобразование форматов данных в не­который общий формат представления, а на приеме соответственно вы­полняет обратное преобразование.    Таким образом,  прикладные уровни могут преодолеть, например, синтаксические различия в предста­влении данных. На этом уровне могут выполняться шифрование и де­шифрование данных, благодаря которым секретность обмена данными обеспечивается сразу для всех прикладных сервисов. Примером такого протокола является протокол SSL (Secure Socket Layer), который обес­печивает секретный обмен сообщениями для протоколов прикладного уровня  стека  TCP/IP.

Прикладной уровень. Прикладной уровень — это набор разно­образных протоколов, с помощью которых пользователи сети получают доступ к разделяемым ресурсам, таким как файлы, принтеры или гипер­текстовые Web-страницы, а также организуют свою совместную работу. Единица данных, которой оперирует прикладной уровень, называется сообщением  (message).

Существует большое количество разнообразных сервисов приклад­ного уровня. В качестве примеров протоколов прикладного уровня назо­вем несколько наиболее распространенных реализаций файловых серви­сов — это IMCP в операционной системе Novell NetWare, SMB в Microsoft Windows NT, NFS, FTP и "[FTP, входящие в стек TCP/IP.   

 

2.4.3. Сетезависимые протоколы и протоколы,

ориентированные на приложения

 

Функции всех уровней модели OSI могут быть отнесены к одной из двух групп: либо к функциям, зависящим от конкретной техниче­ской реализации сети, либо к функциям, ориентированным на работу с  приложениями.

Три нижних уровня — физический, канальный и сетевой — явля­ются сетезависимыми, т.е. протоколы этих уровней тесно связаны с тех­нической реализацией сети, с используемым коммуникационным обору­дованием. Например, переход на оборудование FDDI означает полную смену протоколов физического и канального уровней во всех узлах сети. Именно эти уровни обеспечивают передачу данных с заданным каче­ством обслуживания между терминалами сети.

Три верхних уровня — сеансовый, уровень представления и при­кладной — отвечают за обработку данных, ориентированы на приложе­ния и мало зависят от технических особенностей построения сети. На протоколы этих уровней не влияют никакие изменения в топологии сети, замена оборудования или переход на другую сетевую технологию. Так, переход от Ethernet на высокоскоростную технологию 100 VG-AnyLAN не требует никаких изменений в программных средствах, реализующих функции прикладного, представительного и сеансового уровней.

Транспортный уровень является промежуточным, он скрывает все детали функционирования нижних уровней от верхних уровней. Это позволяет разрабатывать приложения, не зависящие от технических средств, обеспечивающих транспортировку сообщений.

Компьютер с установленной на нем сетевой ОС взаимодействует с другим компьютером с помощью протоколов всех семи уровней. Это вза­имодействие компьютеры осуществляют опосредованно через различные коммуникационные устройства: концентраторы, модемы, мосты, ком­мутаторы, маршрутизаторы, мультиплексоры. В зависимости от типа коммуникационное устройство может работать либо только на физиче­ском уровне (повторитель), либо на физическом и канальном (мост), либо на физическом, канальном и сетевом, иногда захватывая и транс­портный  уровень (маршрутизатор).

Модель OSI является хотя и очень важной, но только одной из многих моделей систем коммуникаций. Эти модели и связанные с ними стеки протоколов могут различаться количеством уровней, их функци­ями, форматами сообщений, сервисами, предоставляемыми на верхних уровнях,  и  прочими  параметрами.

2.4.4. Стандартные стеки коммуникационных  протоколов

 

Существует большое количество стеков протоколов, нашедших ши­рокое применение в сетях. Это и стеки, являющиеся международными и национальными стандартами, и фирменные стеки, получившие рас­пространение вследствие широкого применения оборудования той или иной фирмы. Примерами популярных стеков протоколов могут служить стек IPX/SPX фирмы Novell, стек TCP/IP, используемый в сети Интер­нет и во многих сетях на основе операционной системы UNIX, стек OSI Международной организации по стандартизации, стек DECnet корпо­рации   Digital  Equipment  и  др.

Стек коммуникационных протоколов, используемый в сети, во мно­гом определяет ее характеристики. В небольших сетях может приме­няться исключительно один стек. В крупных корпоративных сетях, объ­единяющих различные сети, параллельно используются, как правило, несколько стеков.

В коммуникационном оборудовании реализуются протоколы ниж­них уровней, которые стандартизованы в большей степени, чем про­токолы верхних уровней, и это является предпосылкой для успешно­го совместного использования оборудования различных производителей. Поэтому одной из наиболее важных характеристик коммуникационного устройства является перечень поддерживаемых им протоколов.

Компьютеры реализуют коммуникационные протоколы в виде со­ответствующих программных элементов сетевой операционной системы. Так, протоколы канального уровня, как правило, выполнены в виде драйверов сетевых адаптеров, а протоколы верхних уровней — в виде серверных и клиентских компонент сетевых сервисов.

На нижних уровнях — физическом и канальном — практически во всех стеках применяются одни и те же протоколы. Это хорошо стандартизованные протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI и некоторые другие, которые позволяют использовать во всех сетях одну и ту же аппаратуру.

Протоколы сетевого и более высоких уровней существующих стан­дартных стеков отличаются большим разнообразием и, как правило, не соответствуют рекомендуемому моделью ISO разбиению на уровни. В частности, в этих стеках функции сеансового и представительного уров­ней чаще всего объединены с прикладным уровнем. Это объясняется тем, что модель ISO появилась как результат обобщения уже существу­ющих и реально используемых стеков.

Стек OSI. Стек OSI — международный, независимый от произво­дителей стандарт. Следует четко различать стек OSI и модель OSI. В то время как модель OSI является концептуальной схемой взаимодействия открытых систем, стек OSI представляет собой набор вполне конкрет­ных спецификаций протоколов. В отличие от других стеков протоколов стек OSI полностью соответствует модели OSI, он включает специфика­ции протоколов для всех семи уровней взаимодействия, определенных в этой модели. На нижних уровнях OSI поддерживает Ethernet, Token Ring, FDDI, а также такие протоколы, как LLC, X.25 и ISDN. Серви­сы сетевого, транспортного и сеансового уровней этого стека пока мало распространены. Наиболее популярными протоколами стека OSI явля­ются протоколы, реализующие высокоуровневые сервисы по передаче файлов, эмуляции терминала, ведению каталогов имен и по организа­ции электронной почты. Хотя в стеке OSI предусматривается еще ряд дополнительных высокоуровневых сервисов, многие из них еще не ре­ализованы  или реализованы  частично.

Из-за своей сложности протоколы OSI требуют больших затрат вы­числительной мощности центрального процессора, что делает их бо­лее подходящими для мощных машин, а не для сетей персональных компьютеров.

Стек TCP/IP. Стек был разработан по инициативе Министерства обороны США (Department of Defense, DoD) более 20 лет назад для свя­зи экспериментальной сети ARPAnet с другими сетями как набор общих протоколов для разнородной вычислительной среды. Большой вклад в развитие стека TCP/IP, который получил свое название по популярным транспортным протоколам IP и TCP, внес университет Беркли, реализо­вав протоколы стека в своей версии ОС UNIX. Популярность этой опера­ционной системы привела к широкому распространению протоколов IP, TCP и других протоколов стека. Стек TCP/IP используется для связи компьютеров всемирной информационной сети Интернет. Организация Internet Engineering Task Force (IETF) вносит основной вклад в совершен­ствование стандартов стека, публикуемых в форме спецификаций RFC.

Стек TCP/IP на нижнем уровне поддерживает все популярные стан­дарты физического и канального уровней: для локальных сетей это Ethernet,  Token  Ring,  FDDI, для глобальных — протоколы работы на

аналоговых коммутируемых и выделенных линиях SLIP/PPP, протоко­лы территориальных сетей Х.25 и  ISDN.

В качестве основного протокола сетевого уровня в стеке использует­ся протокол IP (Internet Protocol), который изначально проектировался как протокол передачи пакетов в сетях, состоящих из большого количе­ства локальных сетей, объединенных как локальными, так и глобальны­ми.связями. Поэтому стек TCP/IP хорошо работает в сетях со сложной топологией, рационально используя наличие в них подсистем и эконом­но расходуя пропускную способность низкоскоростных линий связи.

За долгие годы применения в сетях различных стран и организаций стек TCP/IP вобрал в себя большое количество протоколов прикладно­го уровня. К ним относятся такие популярные протоколы, как протокол пересылки файлов FTP, протокол эмуляции терминала Telnet, почтовый протокол SMTP, используемый в электронной почте Интернета, гипер­текстовые сервисы доступа к удаленной информации и многие другие.

Стек IPX/SPX. Этот стек является оригинальным стеком прото­колов фирмы Novell, разработанным для сетевой операционной систе­мы NetWare еще в начале 80-х годов. Протоколы сетевого и сеансово­го уровней IPX (Internetwork Packet Exchange) и SPX (Sequenced Packet Exchange), давшие название стеку, являются прямой адаптацией прото­колов XNS фирмы Xerox. Популярность стека IPX/SPX непосредственно связана с операционной системой Novell NetWare, которая, несмотря на некоторое снижение популярности в последнее время, все еще сохраняет мировое лидерство по числу установок.

Многие особенности стека IPX/SPX обусловлены ориентацией ран­них версий ОС NetWare (до версии 4.0) на работу в локальных се­тях небольших размеров-, состоящих из персональных компьютеров со скромными ресурсами. Это обстоятельство, а также тот факт, что стек IPX/SPX является собственностью фирмы Novell и на его реализацию нужно получать у нее лицензию, долгое время ограничивали распростра­ненность его только сетями NetWare. Однако с момента выпуска версии NetWare 4.0 Novell внесла и продолжает вносить в свои протоколы се­рьезные изменения, направленные на приспособление их для работы в корпоративных сетях. Сейчас стек IPX/SPX реализован не только в NetWare, но и в нескольких других популярных сетевых ОС, например SCO UNIX, SUN Solaris, Microsoft Windows NT.

Стек NetBIOS/SMB. Этот стек широко используется в продук­тах компаний IBM и Microsoft. На физическом и канальном уровнях этого стека используются все наиболее распространенные протоколы Ethernet, Token Ring, FDDI и др. На верхних уровнях работают про­токолы  NetBEUI  и  SMB.

Протокол NetBIOS (Network Basic Input/Output System) появился в 1984 г. как сетевое расширение стандартных функций базовой систе­мы ввода/вывода (BIOS) IBM PC для сетевой программы PC Network фирмы IBM. В дальнейшем этот протокол был заменен так называе­мым протоколом расширенного пользовательского интерфейса NetBEUI (NetBIOS Extended User Interface). Для обеспечения совместимости при­ложений в качестве интерфейса к протоколу NetBEUI был сохранен ин­терфейс NetBIOS. Протокол NetBEUI разрабатывался как эффективный протокол, потребляющий немного ресурсов, для использования в сетях, насчитывающих не более 200 рабочих станций. Этот протокол содер­жит много полезных сетевых функций, которые можно отнести к сете­вому, транспортному и сеансовому уровням модели OSI, однако с его помощью невозможна маршрутизация пакетов. Это ограничивает при­менение протокола NetBEUI локальными сетями, не разделенными на подсети, и делает невозможным его использование в составных сетях.

Протокол блоков сообщений сервера SMB (Server Message Block) выполняет функции сеансового, представительного и прикладного уров­ней. SMB реализует файловый сервис, сервис печати и сервис передачи сообщений  между приложениями.

Таким образом, проведенный анализ показывает, что телекомму­никационные системы представляют собой совокупность технических и программных средств, которые используются при построении телеком­муникационной инфраструктуры и по своим функциям, как правило, не выходят за пределы первых трех уровней модели OSI. Они должны:

•  быть «прозрачными» для любых приложений,  использующих эту ТКС, что обеспечит возможность изменения или модификации про­цессов обработки информации без внесения дорогостоящих изме­нений   в  сети связи;

•  строго соответствовать международным стандартам, что позволит выполнять стыковку между различными  компонентами информа­ционно-цифровых систем и международными системами связи;

•  предоставлять возможности обмена всеми видами информации — передача данных, телефония, видеоконференции и др.;

•  поддерживать централизованное управление и мониторинг;

•  обеспечивать защиту от несанкционированного  доступа  к инфор­мации.

 

2.5.         Линии связи сетей передачи данных

 

Очевидно, что с позиции обеспечения безопасности информации, циркулирующей в телекоммуникационных системах, наиболее «слабым звеном» являются линии связи между объектами сети. Это обусловлено большими расстояниями между объектами ТКС и существованием ре­альной возможности бесконтрольного подключения к линиям связи с целью несанкционированного доступа к передаваемой информации.

Существующие линии связи (ЛС) [7-9] в зависимости от исполь­зуемой среды распространения сигналов принято делить на проводные линии и линии радиосвязи (ЛРС). К проводным линиям относятся ка­бельные, воздушные и волоконно-оптические линии связи.   Среди ЛРС выделяют линии прямой связи, ионосферные, тропосферные, радиоре­лейные  и  спутниковые.

До недавнего времени основу телекоммуникационной системы со­ставляли проводные (кабельные) линии связи. Однако их физическое устаревание и неспособность обеспечения передачи больших потоков ин­формации на большие расстояния привели к интенсивному развитию и внедрению волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). В настоя­щее время в России на ВОЛС построены практически все глобальные и муниципальные сети, а проводные линии пока еще составляют основу «последней мили», т.е. участка сети, отвечающего за связь оконечных устройств с центрами, узлами, пунктами и средствами коммутации и обработки  информации.

Необходимо отметить, что с позиции защиты информации линии проводной и волоконно-оптической связи имеют высокую защищенность от несанкционированного доступа. Так, применение закладок не всегда возможно из-за охраны линий связи и не всегда эффективно, посколь­ку ВОЛС и магистральные кабели, имеющие защитную экранирующую оболочку, практически не излучают, а используемые системы монито­ринга целостности линии связи могут мгновенно отключить «взламы­ваемый» канал связи  и  подать тревогу.

Однако основным недостатком волоконно-оптических и проводных линий связи является их уязвимость по отношению к физическому воз­действию — разрыву или повреждению кабеля и к неисправности про­межуточных усилительных устройств. Это приводит к большим времен­ным  потерям при восстановлении линий связи.

  Для устранения больших перерывов связи, вызванных поврежде­ниями кабеля, применяют резервные линии связи за счет построения разветвленной опорной сети и использования резервных линий радио-, радиорелейной, тропосферной и спутниковой связи.

Кроме того, линии радио-, радиорелейной, тропосферной и спутни­ковой связи находят широкое применение для связи с базовыми объекта­ми ТКС, когда прокладка волоконно-оптических или кабельных линий связи проблематична из-за географических условий (леса, болота, вод­ные преграды, горы и др.) или из-за экономической нецелесообразности (долгий срок или невозможность окупаемости).

Особую актуальность линии радио-, радиорелейной, тропосферной и спутниковой связи приобретают в особый период при организации се­тей передачи данных в интересах Министерства обороны, Министерства внутренних дел, Федеральной пограничной службы и др.

На сегодняшний день одним из наиболее интенсивно развивающих­ся направлений является использование радиосредств для «последней мили», т.е. для привязки оконечных устройств (телефонных аппара­тов, компьютеров и т.п.) абонентов (в том числе подвижных) к сетям общего пользования или к ведомственным сетям.

 

2.5.1.                       Кабельные и воздушные линии связи на основе металлических проводников

 

Кабельная линия связи — инженерное сооружение, состоящее из проложенного по определенной географической трассе кабеля связи и при необходимости снабженное устройствами защиты от внешних вли­яний (грозоразрядники и т.п.), а также усилительными и регенераци-онными пунктами. Кабель — законченная конструкция, состоящая из одного или нескольких проводов, заключенных в общие экранирующие, защитные и прочие покровы. Провод— конструктивный элемент, пред­ставляющий собой проводник (проводники) той или иной конструкции в изолирующем   покрытии.

Рассмотрим проводные ЛС. В простейшем случае проводная ЛС — физическая цепь, образуемая парой металлических проводников. По конструкции и взаимному расположению проводников различают сим­метричные и коаксиальные провода и кабели связи (рис. 2.15).

Симметричный провод состоит из двух совершенно одинаковых в электрическом и конструктивном отношениях изолированных проводни­ков. В зарубежных источниках его часто называют витой парой (Twisted Pair, TP). Различают экранированные (shielded) и неэкранированные (unshielded)  симметричные  провода.

Коаксиальный провод (от англ. co-axial — соосный) представляет собой два цилиндра с совмещенной осью, причем один цилиндр (сплош­ной внутренний проводник) концентрически расположен внутри друго­го полого цилиндра (внешнего проводника). Проводники изолированы друг от друга диэлектрическим  материалом.

Рассмотрим основные параметры симметричных и коаксиальных ка­белей  (СК  и   КК).

Коэффициент затуханияа, дБ/км, зависит от свойств материалов проводников и изоляционного материала. Наилучшими свойствами (ма­лым сопротивлением) обладают медь и серебро. Коэффициент зату­хания зависит также от геометрических размеров проводников. СК с большими диаметрами сечения проводников имеют меньший коэффи­циент затухания. Коэффициент затухания КК зависит от соотношения диаметров внешнего и внутреннего проводника (рис. 2.15).

 

Рис. 2.15.  Вид симме­тричного (а) и коакси­ального (б) проводников

 

Оптималь­ными соотношениями являются (материал внешнего проводника):   3,6 для  меди,  3,9 для алюминия,  5,2 для .   свинца.

Очень важной характеристикой, фактически определяющей широкополосность системы связи, является за­висимость коэффициента затухания от частоты (рис. 2.17). Если определен граничный коэффициент затухания αгр (обычно он определяется возможностя­ми   усилителей   или   регенераторов,   то

данному коэффициенту соответствует  граничная  частота  пропускания системы fгр.    Полоса  пропускания системы  не превышает  граничной частоты  пропускания.

Частотная зависимость скорости распространения v, км/с, показана на рис. 2.18. С ростом частоты скорость распространения увеличивается, приближаясь к скорости света в вакууме vc ≈ 300 км/с.  Данный пара­метр зависит также от свойств диэлектрика, применяемого в кабеле.

Волновое сопротивление ZB, Ом, — сопротивление, которое встре­чает электромагнитная  волна при  распространении  вдоль однородной линии без отражения, т.е. при условии, что на процесс передачи не вли­яют несогласованности на концах линии.   Волновое сопротивление СК зависит от удельных значений емкости и  индуктивности  кабеля.   Для КК волновое сопротивление определяется как

где Z — волновое сопротивление диэлектрика, D и d — соответственно диаметры внешнего и внутреннего проводников.

Основные   требования   к  СК  определены   в   Рекомендации   ITU-T G.613.   Диаметр жилы СК обычно составляет 0,4-1,2 мм.   Как прави­ло, СК обычно используются в диапазоне частот до 10 МГц. Основные параметры  КК приведены  в табл. 2.2.

В  настоящее время  выпускается   широкая номенклатура  кабелей, различающихся   назначением,   областью   применения,   условиями   про­кладки  и  эксплуатации  и  пр.

На рис. 2.19 приведен пример конструкции кабеля для магистраль­ной сети КМБ-8/7. В конструкции кабеля предусмотрено несколько ко­аксиальных цепей разного типа, несколько симметричных пар, а также отдельные изолированные жилы для технологических целей.

Воздушные /1С (ВЛС) не имеют изолирующего покрытия между проводниками, роль изолятора играет слой воздуха. Проводники вы­полняются в основном из биметаллической сталемедной (сталеалюми-невой) проволоки. Внутренний диаметр стальной проволоки обычно составляет 1,2-4 мм, толщина внешнего слоя меди (алюминия) 0,04— 0,2 мм. Проволока подвешивается на деревянных или железобетонных опорах с помощью фарфоровых изоляторов. Используемый частотный диапазон  ВЛС не превышает  150 кГц.

 

2.5.2.                       Волоконно-оптические линии связи

 

Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) — линии связи, пере­дача информации в которых осуществляется по оптическому волокну посредством электромагнитных волн оптического диапазона. Практиче­ское применение в ВОЛС получил инфракрасный диапазон, т.е. излу­чение с длиной  волны  более 760 нм.

Волоконно-оптические линии связи [3, 6, 11] имеют ряд существен­ных преимуществ по сравнению с линиями связи на основе металличе­ских кабелей. К ним относятся: большая пропускная способность, ма­лое затухание, малые масса и габариты, высокая помехозащищенность, надежная техника безопасности, практически отсутствующие взаимные влияния, долговечность, малая стоимость из-за отсутствия в конструк­ции   цветных  металлов.

К недостаткам ВОЛС следует отнести следующие:

•  при  создании  линии  связи  требуются  высоконадежные  активные элементы, преобразующие электрические сигналы в оптическое из­лучение  и  обратно,   а  также оптические  соединители  (коннекто­ры)  с  малым  затуханием   и  большим   ресурсом  на   подключение-отключение; точность изготовления таких элементов линии связи должна быть очень высока,   поэтому  их производство дорогостоящее;

•  для монтажа оптических волокон требуется прецизионное, а потому дорогое технологическое оборудование;

•  при обрыве оптического кабеля затраты на восстановление выше, чем при использовании кабелей с металлическими проводниками.

 

Рис. 2.21. Профиль показателя преломления ступенчатого (а) и градиентного (б)

ОВ

 

Однако преимущества ВОЛС настолько значительны, что, несмотря на перечисленные недостатки, эти линии связи широко используются на практике и повсеместно вытесняют кабельные и воздушные линии связи на основе металлических проводников.

Оптическое волокно (ОВ) изготавливается из недорогого материа­ла — кварцевого стекла в виде цилиндров с совмещенными осями и различными коэффициентами преломления. Внутренний цилиндр на­зывается сердцевиной (Core), а внешний слой — оболочкой (Cladding). Принцип распространения оптического излучения вдоль оптического во­локна основан на отражении от границы сред с разными показателями преломления  (рис.  2.20).

Угол полного внутреннего отражения, называемый также критиче­ским, при котором падающее на границу двух сред излучение полно­стью отражается без проникновения во внешнюю среду, определяется соотношением θкр = arccos(n2/n1), где п1 — показатель преломления сердцевины; п2 — показатель преломления оболочки, причем п1 > п2. Излучение должно вводится в волокно под углом к оси, меньшим θкр.

В зависимости от вида профиля показателя преломления сердце­вины различают ступенчатые и градиентные ОВ. У ступенчатых ОВ показатель преломления сердцевины постоянен (рис. 2.21,а). У гради­ентных ОВ показатель преломления сердцевины плавно меняется вдоль радиуса от максимального значения на оси до значения показателя пре­ломления оболочки (рис.  2.21,6).

В ОВ может одновременно существовать несколько типов волн (мод). В зависимости от модовых характеристик ОВ со ступенчатым профилем преломления делятся на два вида: многомодовые и одномодовые.

Количество мод зависит от значения нормированной частоты   где D — диаметр сердцевины ОВ;  λ — рабочая

Рис. 2.22. Спектральная характе­ристика коэффициента затухания ОВ

 

длина волны. Одномодовый режим реализуется при V < 2,405. Заранее определенными и сравнительно малы­ми величинами являются рабочая длина волны и разность показателей преломления δП = n1 — п2. Обычно ОВ изготавливают с δП = 0,003-0,05. Поэтому диаметр сердцевины одномо-довых волокон также небольшой и со­ставляет 5-15 мкм (обычно 9 или 10). Для многомодовых волокон диаметр сердцевины около 50 мкм (обычно 50 или 62,5). Диаметр оболочки у всех типов ОВ 125 мкм. Диаметр за­щитного покрытия 500 мкм. Наружный диаметр кабеля с числом ОВ от 2-32 с учетом всех защитных оболочек и элементов обычно соста­вляет  5-17  мм.

Затухание ОВ определяется потерями на поглощение и на рассея­ние излучения в оптическом волокне. Потери на поглощение зависят от чистоты материала, потери на рассеяние — от неоднородностей по­казателя преломления  материала.

Затухание ОВ неоднородно для разных длин волн. Зависимость коэффициента затухания а ОВ от рабочей длины волны приведена на рис. 2.22. Данная зависимость имеет три минимума, называемые окнами прозрачности. Исторически сначала было освоено первое окно прозрач­ности на рабочей длине волны 0,85 мкм. Первые полупроводниковые излучатели (лазеры и светодиоды) и фотоприемники были разработаны именно для данной  длины  волны.

Коэффициент затухания в первом окне значителен и составляет еди­ницы децибелов на километр (дБ/км). Позднее были созданы излучате­ли и фотоприемники, способные работать на больших длинах волн (1,3 и 1,55 мкм). Современные системы связи обычно используют второе или третье окно с малыми коэффициентами затухания. Современная технология позволяет получить ОВ с коэффициентом затухания поряд­ка сотых долей децибела на километр.

Другим важнейшим параметром оптического волокна является дис­персия — рассеяние во времени спектральных и модовых составляющих оптического сигнала.   Существуют три типа дисперсии:

•  модовая дисперсия, присуща многомодовому волокну и обусловле­на  наличием  большого числа   мод,   время  распространения  которых  различно;

• материальная дисперсия, обусловлена зависимостью показателя преломления  от длины  волны;

•  волноводная дисперсия,   обусловлена   процессами  внутри  моды  и     характеризуется зависимостью скорости распространения моды от длины   волны.

Поскольку источники оптического излучения излучают некоторый спектр длин волн (светодиоды — 15-80 нм; лазеры — 0,1-4 нм), диспе­рсия приводит к уширению импульсов при распространении по волокну и тем самым порождает искажения сигналов. Уширение определяется как  — длительность импульса соответственно на входе и выходе ОВ. Единицей измерения уширения является наносе­кунда на километр (нс/км). При оценке пользуются термином «полоса пропускания», ∆F ≈1/τ — это величина, обратная уширению импульса при прохождении им по оптическому волокну расстояния 1 км. Полоса пропускания измеряется в мегагерц-километрах (МГцкм). Из определе­ния полосы пропускания видно, что дисперсия накладывает ограничение на дальность связи и на верхнюю частоту передаваемых сигналов.

Если при распространении света по многомодовому волокну, как правило, преобладает модовая дисперсия, то одномодовому волокну присущи только два последних типа дисперсии. На длине волны 1,3 мкм материальная и волноводная дисперсии в одномодовом волокне компенсируют друг друга, что обеспечивает наивысшую пропускную спо­собность.

Затухание и дисперсия у разных типов оптических волокон различ­ны. Одномодовые волокна обладают лучшими характеристиками по затуханию и по полосе пропускания. Однако одномодовые источники излучения в несколько раз дороже многомодовых. В одномодовое во­локно труднее ввести излучение из-за малых размеров ОВ, по этой же причине сращивание одномодовых волокон сложно осуществить с ма­лыми потерями. Монтаж оптических разъемов для одномодовых ка­белей также обходится дороже.

Многомодовые волокна более удобны при монтаже, так как размер сердцевины в них в несколько раз больше, чем в одномодовых волок­нах. Проще получается монтаж оптических разъемов для многомодового кабеля с малыми потерями (до 0,3 дБ) на стыке. На многомодовое волокно рассчитаны излучатели на длину волны 0,85 мкм — доступ­ные и дешевые излучатели, выпускаемые в очень широком ассортимен­те. Но затухание на этой длине волны у многомодовых волокон нахо­дится в пределах 3-4 дБ/км и не может быть существенно улучшено. Полоса пропускания у многомодовых волокон достигает 800 МГцкм, что приемлемо для локальных сетей связи, но недостаточно для маги­стральных линий, Полоса пропускания у одномодовых волокон может достигать 5000  МГцкм.

В мире существует несколько десятков фирм, производящих воло­конно-оптические кабели (ВОК) различного назначения. Определяющи­ми параметрами при производстве ВОК являются условия эксплуатации и пропускная способность линии связи. Основные требования к ВОК сформулированы в рекомендациях ITU-T серии G.650.

По условиям эксплуатации ВОК подразделяют на монтажные, стан­ционные, зоновые и магистральные.   Первые два типа кабелей предназначены для прокладки внутри зданий и сооружений.

 

Рис. 2.23. Пример конструкции оптического кабеля: 1 — ОВ; 2 — полиэтиленовая трубка; 3 — силовой элемент; 4 и 5—соответственно внутренняя и внешняя полиэтиленовые оболочки

 

Они компактны, легки и, как правило, имеют небольшую строительную длину. Кабели последних двух типов предназначены для прокладки в колодцах кабель­ных коммуникаций, в грунте, на опорах вдоль ЛЭП, под водой. Эти кабели имеют защиту от внешних воздействий и строительную длину более двух  километров.

Для обеспечения большой пропускной способности линии связи производятся ВОК, содержащие небольшое число (до восьми) одномодовых волокон с малым затуханием, а кабели для распределительных сетей могут содержать до 144 волокон, как одномодовых, так и многомодовых, в зависимости от расстояний между сегментами сети.

При изготовлении ВОК в основном используются два подхода:  

•  конструкции со свободным перемещением элементов;

•  конструкции с жесткой связью между элементами.

Существуют многочисленные комбинации конструкций ВОК, кото­рые  в сочетании  с большим ассортиментом  применяемых материалов позволяют выбрать исполнение кабеля, наилучшим образом удовлетво­ряющее всем условиям проекта, в том числе стоимостным.  На рис. 2.23 приведен  пример конструкции оптического кабеля.

Сращивание строительных длин оптических кабелей производится с помощью кабельных муфт специальной конструкции.

Волоконно-оптические системы передачи (ВОСП). Волоконно-оптическими [8, 10] называют системы передачи, использующие в ка­честве среды распространения сигнала оптическое волокно. Первона­чально развитие ВОСП шло в направлении создания оптоэлектронных элементов (источников и приемников оптического излучения) и обору­дования данными элементами каналообразующего оборудования цифро­вых систем передачи (ЦСП). Совершенствование ЦСП и устройств опто- -электроники для применения в ЦСП происходило независимо. В каче­стве примера систем, построенных по такому принципу, можно привести ВОСП отечественного производства: «Соната-2», «Сопка-2»и ИКМ-120-4/5 со скоростью передачи 8 Мбит/с; «Сопка-3», ИКМ-480-5 со ско­ростью передачи 34 Мбит/с; «Сопка-4М», «Сопка-5» со скоростью пе­редачи  140 Мбит/с.   Основным  преимуществом  ВОСП по сравнению с ЦСП, работающими по кабелю с металлическими проводниками, яви­лось значительное увеличение длины участка регенерации (до несколь­ких  десятков километров).

Применение аналоговых систем передачи с ЧРК в ВОСП не нашло практического применения по следующей причине. Обеспечение требу­емой помехозащищенности, особенно по допустимым нелинейным пе­реходным помехам, достигалось бы при длинах усилительных участков (3-6 км), соизмеримых с длиной усилительного участка аналоговых си­стем передачи, предназначенных для работы по кабелю с металличе­скими   проводниками.

Появление синхронной цифровой иерархии, специально разработан­ной для использования преимуществ ОВ, вывело развитие ВОСП на но­вый уровень. Тем не менее развитие технологии ВОСП продолжается. Рассмотрим основные направления этого развития.

Совершенствование оптоэлектронных элементов и приемопередаю­щего оборудования. За счет использования чувствительных фотоприем­ников и когерентных методов приема достигнута длина регенерацион-ного участка более 400 км при применении стандартного одномодового ОВ с коэффициентом затухания 0,22 дБ/км.

Разделение по длине волны. Подавляющее большинство ВОСП использует одно ОВ для передачи излучения одной рабочей длины волны. Существенного увеличения суммарной емкости системы мож­но достичь передачей в одном волокне излучения нескольких рабочих длин волн. Данная технология называется разделением по длине волны (Wave Division Multiplexing, WDM) и фактически представляет собой ре­ализацию на новом технологическом уровне принципа ЧРК. Основной сложностью реализации спектрального уплотнения является создание оптического разветвителя на несколько входов/выходов с малыми поте­рями (затуханиями) при вводе/выводе оптического излучения.

В качестве примера реализации можно привести систему OLC фир­мы Lucent: в третьем окне прозрачности 1,55 мкм (см. рис. 2.22) пе­редаются излучения восьми рабочих длин волн. Каждая оптическая несущая несет цифровой сигнал со скоростью 2,5 Гбит/с (сигнал STM-16), и в результате скорость цифрового потока в одном волокне соста­вляет более 20 Гбит/с. Японскими специалистами предложена система, работающая в том же окне прозрачности, но имеющая 132 оптические несущие, каждая из которых несет цифровой сигнал со скоростью 20 Гбит/с (сигнал STM-64). Скорость цифрового потока в одном волок­не составляет более 2640 Гбит/с.

Использование волоконных усилителей. Это позволит существен­но увеличить дальность связи (длину участков регенерации). Для ре­ализации волоконных усилителей применяются различные физические принципы. Широко распространены волоконные усилители, выполняе­мые на основе легированного эрбием ОВ. Данные усилители используют свойства редкоземельного элемента эрбия усиливать оптический сигнал.

При введении излучения с длиной волны 980 нм в легированный эрбием отрезок волокна фотоны меняют состояние и генерируется излучение с длиной волны 1,55 мкм. Это излучение взаимодействует с рабочим из­лучением на той же длине волны, усиливая его. Высокомощный лазер с длиной волны 980 нм называется лазером накачки. Ввод излучения от лазера накачки в легированный эрбием отрезок волокна осуществляется с помощью специальных оптических разветвителей.

Подобные усилители могут использоваться в ВОСП с WDM. Од­новременно усиливаются все спектральные компоненты, в отличие от традиционных систем, в которых каждый оптический сигнал обслужи­вается отдельным усилителем (регенератором). Длина усилительного участка в подобных системах, например OLC фирмы Lucent, достигает 120 км. Допускается последовательное соединение трех усилительных участков до регенерации сигналов. Таким образом, длина участка ре­генерации  может составлять 360 км.

Структурированные кабельные системы. В настоящее время проводные линии связи широко используются при построении локаль­ных сетей. Данные линии связи стандартизированы и обычно называ­ются структурированной кабельной системой (СКС). Известны СКС ка­тегорий 3, 4, 5 стандартов EIA/TIA-568, TSB-36, TSB-40 специального подкомитета TR41.8.1.  Приведем основные параметры проводки:

•  длина горизонтальных кабелей не более 90 м независимо от типа кабеля; к применению допускаются кабели четырех типов:   1) четырехпарный  из неэкранированных витых пар с волновым сопро­тивлением  100 Ом;  2) двухпарный  из экранированных витых пар с волновым сопротивлением 150 Ом; 3) коаксиальный с волновым сопротивлением 50 Ом; 4) волоконно-оптический с волокнами диа­метром  62,5/125 мкм;

•  типы соединителей:  модульный 8-контактный RJ-45; 4-контактный по стандарту IEEE 802.5; коаксиальный BIMC; оптический не опре­делен;

• на каждом рабочем месте устанавливается не менее двух розеток; разводка кабелей должна соответствовать топологии «звезда». Общая структура СКС показана на рис. 2.24.

 

2.5.3. Линии радиосвязи

 

В тех случаях, когда возникают трудности прокладки проводных линий связи, используются радиолинии. В линиях радиосвязи (ЛРС) средой распространения электромагнитных волн в подавляющем боль­шинстве случаев (за исключением случая связи между космическими аппаратами) является атмосфера Земли.

Принципиальное отличие радиосистем передачи информации за­ключается в том, что условия распространения радиоволн в радиоли­нии нестационарны, т.е. подвержены непрерывным изменениям, зави­сящим от времени и частоты. Однако передача с помощью радиоволн иногда является единственным методом связи (например, связь с по­движными  объектами) [1-3,  5].

Типичный вид радиолинии показан на рис. 2.25. Линия может со­стоять из двух оконечных станций, примером таких радиолиний явля­ются линии сетей передачи сообщений массового характера (сети теле­визионного и радиовещания). Радиолиния может содержать несколько промежуточных переприемных станций. Так строятся линии радиоре­лейных  систем  передачи.

Для обеспечения односторонней радиосвязи в пункте, из которо­го ведется передача сигналов, размещают радиопередающее устройство, содержащее радиопередатчик и передающую антенну, а в пункте, в кото­ром ведется прием сигналов, — радиоприемное устройство, содержащее приемную антенну и радиоприемник. Антенны подключают к приемо­передающему оборудованию при помощи фидерных трактов.

Для двухстороннего обмена сигналами нужно иметь два комплек­та оборудования. Двухсторонняя радиосвязь может быть симплексной или дуплексной. При симплексной радиосвязи передача и прием ведутся поочередно. Радиопередатчики в конечных пунктах в этом случае мо­гут работать на одинаковой частоте, на эту же эту частоту настроены и радиоприемники. Радиопередатчик включается только на время переда­чи. При дуплексной радиосвязи передача осуществляется одновременно с приемом. Для связи должны быть выделены две разные частоты для передачи в противоположных направлениях. Радиопередатчики и ра­диоприемники абонентов включены в течение всего сеанса связи.

Радиоволны, излучаемые передающей антенной, прежде чем по­пасть в приемную антенну, проходят в общем случае сложный путь. На значение напряженности поля в точке приема оказывает влияние мно­жество факторов.    Основные из них:

 

•  отражение электромагнитных волн от поверхности Земли;

•  преломление (отражение) в ионизированных слоях атмосферы (ио­носфере);

•  рассеяние на диэлектрических неоднородностях нижних слоев ат­мосферы  (тропосфере);

•  дифракция на сферической выпуклости Земли.

Кроме того, напряженность поля в точке приема зависит от дли­ны волны и освещенности земной атмосферы Солнцем и ряда других факторов.

Классификация и способы распространения радиоволн приведены в табл. 2.3 и 2.4. Деление радиоволн на диапазоны установлено Ме­ждународным  регламентом радиосвязи ITU-R.

Совокупности линий радиосвязи в зависимости от реализуемого способа организации связи могут образовывать следующие типы систем радиосвязи: радиорелейные прямой видимости и тропосферные, спут­никовые,   ионосферные  и  пр.

Системы прямой радиосвязи предполагают передачу сообщений от передающей станции к приемной без использования искусственных и естественных ретрансляторов (приемопередающие станции, неоднород­ности  атмосферы,  Луна  и  т.д.).

Дистанции связи в таких системах ограничиваются способностью ра­диоволн огибать земную поверхность. В зависимости от используемой в радиолинии длины волны дистанции связи в системах прямой радио­связи варьируют в широких пределах. Так, для сверхдлинных волн бла­годаря их хорошей дифракции дистанции связи практически не имеют ограничений. А для ультракоротковолнового диапазона, где дифракция практически отсутствует, дистанции связи ограничены прямой видимо­сти (от 10-15 км до 50 км в зависимости от подъема антенн).

Ионосферные системы связи на декаметровых волнах. Систе­ма радиосвязи, в которой используется отражение декаметровых волн от верхних слоев атмосферы — ионосферы на высоте 50-400 км от по­верхности Земли, называется ионосферной системой передачи на де­каметровых  волнах.

В ионосфере происходит, строго говоря, не отражение радиоволны, а поворот ее траектории из-за неоднородности диэлектрических свойств вертикального профиля ионосферы. Траектория распространения ра­диоволн от одной точки на поверхности Земли к другой с одним отра­жением от ионосферы называется ионосферным скачком. Расстояние между пунктами приема и передачи, измеренное вдоль поверхности Зе­мли, составляет около 2000 км. Траектория распространения радиоволн может быть образована несколькими ионосферными скачками. Условия распространения радиоволн, а следовательно, и качество радиосвязи за­висит от состояния ионосферы, определяемого временем года, суток и циклом  солнечной  активности.

Ионосферные системы передачи на декаметровых волнах не по­зволяют организовать большого числа каналов, и обычно количество каналов не превышает одного-двух телефонных или нескольких теле­графных.

Ионосферные системы связи. Система радиосвязи, в которой используется рассеяние метровых волн на неоднородностях ионосферы, называется ионосферной системой связи на метровых волнах. Обра­зование ионосферных волн в метровом диапазоне во многом сходно с образованием тропосферных волн. Разница заключается в том, что рас­сеяние происходит не в тропосфере, а в ионосфере на высоте 75-95 км. Предельная дальность связи в этом случае 2000-3000 км, наиболее под­ходящие частоты 40-70 МГц. При ионосферном рассеянии в пункт при­ема приходит только ничтожная часть излучаемой энергии, что выну­ждает использовать мощные радиопередатчики и большие по размеру антенны. Такие системы позволяют организовать с удовлетворитель­ным качеством до трех телефонных каналов.

Рис. 2.26. Построение радиорелейной связи: ОРС — оконечная радиостан­ция; ПРС — промежуточная радиостанция; УРС — узловая радиостанция

 

Метеорные системы связи. В атмосферу Земли непрерывно про­никают потоки мелких космических частиц — метеоров. Большинство из них сгорает на высоте 80-120 км, образуя ионизированные следы. Протяженность следа 10-25 км, а время существования от 5 мс до 20 с. Радиосистемы, использующие отражения от следов метеоров, работают в диапазоне 30-70 МГц. Время возможного прохождения радиосигналов при метеорной связи составляет только 2-4 ч в сутки.

Обычно с помощью этих радиосистем организуется передача теле­графных сигналов, причем таких, для которых задержка в передаче не играет существенной роли. Метеорные системы применяются для дубли­рования ионосферных систем на декаметровых волнах в полярных ши­ротах, для связи в метеорологической службе и некоторых других целей.

Радиорелейные системы связи — системы радиосвязи, в кото­рых сигналы электросвязи передаются с помощью наземных ретранс­ляционных станций  (рис. 2.26).

На частотах ОВЧ- и СВЧ-диапазонов, используемых в радиорелей­ных системах передачи, надежная связь с низким уровнем помех может быть получена только в условиях прямой видимости между антеннами, излучающими радиоволны. Расстояние между антеннами радиорелей­ных систем зависит от структуры земной поверхности и высоты антенн над ней. Типичные расстояния составляют 40-50 км при высотах башен и мачт, на которых устанавливаются антенны, около 100 м. Ограничен­ность расстояния прямой видимости не следует рассматривать как не­достаток. Именно за счет невозможности свободного распространения радиоволн на большие расстояния устраняются взаимные помехи между радиорелейными системами передачи внутри одной страны и разных стран. Кроме того, в указанных диапазонах практически отсутствуют атмосферные и промышленные помехи.

Антенны могут работать в режиме передачи и приема для одновре­менной передачи в противоположных направлениях с использованием двух частот: f\ и /г. При этом если станция передает сигнал на ча­стоте /i и принимает на частоте /2, то соседние с ней станции пере­дают на частоте /г, а принимают на частоте f\. Такая пара частот, соответствующая двухчастотному плану частот ITU-R, образует радио­частотный   ствол.

Аналоговые радиорелейные системы предназначены в основном для

передачи многоканальных телефонных сигналов в аналоговой форме и данных с низкой и средней скоростью по каналам ТЧ, а также сиг­налов телевидения. Цифровые радиорелейные системы используются для организации цифровых трактов передачи со скоростями от 2 до 155  Мбит/с.

Большинство станций радиорелейных систем являются промежу­точными радиостанциями, играющими роль активных ретрансляторов. На всех станциях целесообразно иметь однотипную, унифицированную приемопередающую аппаратуру (ППА), удовлетворяющую требовани­ям заданного частотного плана. Перспективным вариантом построения ППА является вариант с усилением на СВЧ и преобразованием частоты. Недостатком подобной схемы является необходимость обработки сигна­ла на СВЧ. Наиболее часто используют ППА, в которой обработка сиг­налов производится на промежуточной частоте, номинальное значение которой выбирается в соответствии с рекомендациями ITU-R и обычно составляет 70 МГц. Применение промежуточной частоты для обработки сигнала позволяет унифицировать аппаратуру усиления сигнала, а также ввода и вывода информационных сигналов на промежуточных, узловых и оконечных станциях. Значения основных параметров радиорелейных систем передачи приведены в табл. 2.5 и 2.6.

Тропосферные радиорелейные системы связи. Тропосфера — нижняя часть атмосферы, расположенная на высоте до 10-12 км от по­верхности Земли. В тропосфере всегда есть локальные объемные не­однородности, вызванные различными физическими процессами, про­исходящими в ней. Волны диапазона 0,3-5 ГГц способны рассеиваться этими неоднородностями. Механизм образования тропосферных радио­волн условно показан на рис. 2.27.

Учитывая, что неоднородности находятся на значительной высоте, нетрудно представить, что рассеянные ими радиоволны могут распро­страняться на сотни километров. Это дает возможность разнести стан­ции на расстояние 200-400 км друг от друга, что значительно больше расстояния прямой  видимости.

Линии на основе тропосферных радиорелейных систем передачи строятся, как правило, в труднодоступных и удаленных районах.

Значительные расстояния между станциями, безусловно, выгодны при организации протяженных линий, поскольку требуется меньшее чи­сло станций. Однако за счет глубоких замираний из-за неустойчиво­сти пространственно-временной структуры тропосферы и крайне малой мощности радиосигнала в точке приема организация хорошего качества связи и значительного количества каналов затруднена.

В табл. 2.7 приведены параметры отечественных тропосферных ра­диорелейных систем  передачи.

Системы спутниковой связи. 23 апреля 1965 г. был запущен на высокую эллиптическую орбиту первый отечественный  спутник связи

 

«Молния-1», который ознаменовал становление в нашей стране спутни­ковой радиосвязи. Почти одновременно в США был запущен на геоста­ционарную орбиту первый спутник коммерческой связи lntelsat-1. Та­ким образом, была реализована заманчивая идея резкого увеличения дальности радиосвязи благодаря размещению ретранслятора высоко над поверхностью Земли, что позволило обеспечить одновременную радио­видимость расположенных в разных точках обширной территории ра­диостанций. Преимуществами систем спутниковой связи (СС) являют­ся большая пропускная способность, глобальность действия и высокое качество связи  [1,  4,  9,   10,   16].

Конфигурация систем СС зависит от типа искусственного спутни­ка Земли (ИСЗ), вида связи и параметров земных станций. Для по­строения систем СС используются в основном три разновидности ИСЗ (рис. 2.28): на высокой эллиптической орбите (ВЭО), геостационарной орбите (ГСО) и низковысотной орбите (НВО). Каждый тип ИСЗ имеет свои  преимущества  и  недостатки.

Примером ИСЗ с ВЭО могут служить отечественные спутники типа «Молния» с периодом обращения 12 ч, наклонением 63°, высотой апогея над северным полушарием 40 тыс. км. Движение ИСЗ в области апогея замедляется, при этом длительность радиовидимости составляет 6-8 ч. Преимуществом данного типа ИСЗ является большой размер зоны об­служивания при охвате большей части северного полушария. Недостаток ВЭО — необходимость слежения антенн за медленно дрейфующим спут­ником и их переориентирования с заходящего спутника на восходящий.

Универсальной орбитой является ГСО — круговая орбита с пери­одом обращения ИСЗ 24 ч, расположенная в плоскости экватора на высоте 35875 км от поверхности Земли. Орбита синхронна с враще­нием Земли, поэтому спутник оказывается неподвижным относительно

 

Рис. 2.28.  Виды орбит ИСЗ

 

земной поверхности. Достоинства ГСО: зона обслуживания составля­ет около трети земной поверхности; теоретически трех спутников до­статочно для реализации глобальной связи; антенны земных станций практически не требуют систем слежения. Однако в северных широ­тах спутник виден под малыми углами к горизонту и вовсе не виден в  приполярных  областях.

Низковысотные ИСЗ запускаются на круговые орбиты, плоскость которых наклонена к плоскости экватора (полярные и квазиполярные орбиты). Высота орбиты составляет 200-2000 км над поверхностью Зе­мли. Запуск легкого ИСЗ на низкую орбиту может быть осуществлен с помощью недорогих пусковых установок. Однако скорость перемещения ИСЗ относительно поверхности Земли достаточно велика, в результате длительность сеанса от восхода спутника до его захода не превышает несколько  десятков  минут.

Диапазоны рабочих частот систем СС регламентированы [TU-R, раз­личны для участков «Земля — ИСЗ» и «ИСЗ — Земля» и лежат в пределах  2-40   ГГц.

Для систем СС существуют некоторые особенности передачи сиг­налов.

•  Запаздывание сигналов (для геостационарной орбиты около 250 мс) — одна из причин  появления эхосигналов при телефонных пере­говорах.

•  Эффект Доплера — изменение  частоты сигнала,  принимаемого с движущегося источника.   Для скоростей, много меньших скорости света (vr/c < 1), изменение частоты составляет / = /о/(1 ± vr/c). Наиболее сильно эффект Доплера проявляется для ИСЗ, исполь­зующих негеостационарные орбиты.

В зависимости от назначения системы СС и типа земных станций в соответстиии с регламентом МСЭ различаются следующие службы:

•  фиксированная спутниковая служба для связи  между станциями, расположенными в определенных фиксированных пунктах, а также для распределения телевизионных программ;

•  подвижная спутниковая служба для связи между подвижными стан­циями, размещаемыми на транспортных средствах (самолетах, мор­ских судах,  автомобилях и  пр.);

•  радиовещательная  спутниковая  служба  для  непосредственной   пе­редачи радио- и телевизионных программ  на терминалы,   находя­щиеся  у  абонентов.

Фиксированная спутниковая служба (ФСС). На начальном этапе ФСС развивалась в направлении создания систем магистральной свя­зи с применением крупных земных станций с диаметрами зеркала ан­тенн порядка 12-30 м. В настоящее время функционирует около 50 систем ФСС. В качестве примеров можно отметить отечественные си­стемы СС «Молния-3», «Радуга», «Горизонт» и международные систе­мы Intelsat и Eutelsat. Направления развития ФСС: увеличение срока службы ИСЗ, повышение точности удержания ИСЗ на орбите, разра­ботка и совершенствование многолучевых антенн, а также обеспечение возможности работы на антенны земных станций малого диаметра (1,2-2,4 м)  (системы  VSAT).

Подвижная спутниковая служба (ПСС). В силу международного ха­рактера работы транспорта для его управления создаются международ­ные системы глобальной спутниковой связи, например система морской спутниковой связи Inmarsat, которая введена в действие в 1982 г. Она со­держит геостационарные спутники, расположенные над Атлантическим, Индийским и Тихим океанами; береговые станции, установленные на различных континентах; разветвленную сеть судовых станций различ­ных стандартов. В настоящее время системой Inmarsat пользуется около 15 тыс. судов. В рамках организации Inmarsat решается проблема со­здания системы авиационной спутниковой связи.

Успехи в космических технологиях последних лет, а также дости­жения в микроэлектронике, появление эффективных алгоритмов пара­метрического компандирования речевых сигналов, разработка лазерных линий межспутниковой связи вызвали большой интерес к использова­нию легких низколетящих ИСЗ для ПСС. Поддержание большой (десят­ки аппаратов) группировки ИСЗ на НВО для обеспечения непрерывности связи оказывается экономически целесообразно, во-первых, ввиду упо­минавшейся выше относительно малой стоимости вывода спутника на НВО и, во-вторых, в связи с возможностью создания систем с малогаба­ритными абонентскими станциями, имеющими изотропные антенны.

Различают два типа СС с НВО. В наиболее простых из них пакеты информации передаются через ИСЗ-ретранслятор непосредственно или с задержкой на время пролета по трассе. Второй тип систем обеспечива­ет непрерывную связь. Зоны радиовидимости отдельных ИСЗ объеди­няются в единое информационное пространство. Примером такой си­стемы служит международный проект Indium,  возглавляемый  фирмой Motorola. Система базируется на 66 легких (масса 689 кг) ИСЗ, равно­мерно размещенных на шести полярных орбитах (по 11 ИСЗ на каждой орбите) высотой 780 км, плоскости которых разнесены на 30°, но совпа­дают по фазам движения. Каждый ИСЗ связан с четырьмя соседними. Ретранслятор работает на многолучевую антенну с 48 лучами, что по­зволяет организовывать в системе 2100 активных лучей одновременно, т.е. создавать сотовую зону обслуживания на всей поверхности Земли. В системе принят многостанционный доступ с частотно-временным раз­делением каналов, для межспутниковых линий и станций сопряжения предусматривается диапазон частот Ка 19-29 ГГц, для абонентских ли­ний «Земля — ИСЗ» и «ИСЗ — Земля» — использование двух полос в диапазоне частот L 1610-1626,5 МГц. Система Iridium была рассчитана на обслуживание до 1,5 млн абонентов. Коммерческая эксплуатация си­стемы начата в 1998 г. В системе применяются двухрежимные абонент­ские терминалы: режим Iridium и режим одного из стандартов сотовой подвижной связи (например, GSM). При нахождении абонента в зоне об­служивания системы сотовой связи он обслуживается данной системой. Когда абонент покидает зону обслуживания системы сотовой связи, ав­томатически происходит его переключение на обслуживание системой СС Iridium. Однако эта система не получила коммерческого успеха, и ее существование остается под вопросом.

Радиовещательная спутниковая служба (РСС). РСС реализует одно из основных направлений развития телекоммуникаций — персонализацию, т.е. телевизионные программы принимаются непосредственно на индивидуальные приемники абонентов. ITU-R утвердил международ­ный план спутникового ТВ вещания в диапазоне 12 ГГц (НТВ-12). В планах зафиксированы точки стояния ИСЗ на ГСО, номера частотных каналов, параметры бортовой передающей аппаратуры. Для спутников бывшего СССР выделены пять точек стояния: 23, 44, 74, 110 и 140° восточной долготы. Следует отметить, что из-за исторически сложив­шегося развития технических средств для непосредственного телевиде­ния применяется также диапазон 11 ГГц, выделенный для ФСС. Для НТВ-12 используется более 100 спутников, среди которых TV-SAT-1, TV-SAT-2, TDF-1, TDF-2, TELE-X и др.

Для широкого внедрения НТВ требуются многопрограммные спут­ники с несколькими десятками программ, с тем чтобы, приобретая срав­нительно дорогое приемное оборудование, абонент (зритель) мог бы значительно расширить свой телевизионный выбор. В этой связи ак­туальны работы в области цифрового сжатия телевизионных изобра­жений, позволяющего передавать в одном частотном стволе до 6-10 программ  одновременно.

Продолжается развитие систем и технологий вывода ИСЗ на орбиту. В связи с этим значительным является международный проект с рос­сийским участием «Морской старт» (Sea Launch). Здесь запуск осуще­ствляется с подвижной морской платформы, транспортирующей ракетуноситель к экватору. При запуске используется скорость вращения Зе­мли вокруг своей оси, т.е. вывод ИСЗ упрощается: при тех же параметрах ракеты-носителя возможен вывод большего количества груза и т.д.