Глава 1. СИСТЕМЫ И СЕТИ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ

1.1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ, ОТНОСЯЩИЕСЯ К ПЕРЕДАЧЕ ИНФОРМАЦИИ НА РАССТОЯНИЕ (ИНФОРМАЦИЯ — СООБЩЕНИЕ — СВЯЗЬ)

            Понятие информация» имеет много различных аспектов и в связи с этим существует и несколько различных подходов к ее определению и оценкам (количественным, качественным и др.). Академик А. А. Харкевич [2] под информацией предложил понимать «сведения, являющиеся объектом хранения, передачи, преобразования». Взяв за основу это определение, под информацией будем понимать некоторые сведения о заданном объекте (процессе, событии, факте и т. д.).

            Различают два вида информации об объекте: информация о его состоянии (конкретная) и информация о его свойствах (абстрактная).

Информация о состоянии объекта — это информация, отражающая его состояние (поведение) как перечень значений (заданных в числовом или другом виде) каких-то его параметров, определенных (измеренных) в некоторый момент (период) t₀ . Таким образом, информация о состоянии объекта в момент t₀ содержит сведения о некоторых параметрах а_1, а₂ ..., а_nэтого объекта, знание которых необходимо для управления или выработки решения. Эта информация представляется вектором I_A(t₀) =b₁(t₀),b₂(t_o), ... b_n(t₀) набором значений (оценок) b_i (t_o) параметров а_i, выраженных числами или в другом виде. Заметим, что b_i, отображает действительное значение параметра а_i как правило, с некоторым приближением, определяемым как особенностью объекта и способом измерения (оценки), так и системой отображения: языком, свойством носителя и т. д. Одному и тому же объекту может соответствовать множество различных элементов информации (векторов), отличающихся полнотой представления (набором параметров).

Информация о свойствах объекта — это информация, содержащая описание свойств или поведения объекта и соотношения (законы), характеризующие этот объект.

Ценность информации (ее потребительская стоимость) заключается в эффекте (материальном или каком-либо другом), который получается при ее использовании, и определяется тем, где и как она применена и насколько вовремя доставлена. Зависимость ценности информации от времени доставки может быть представлена «функцией ценности» (иногда называют функцией старения) Q(t), которая имеет вид кривых, показанных на рис. 1.1, где время может измеряться как секундами, так и часами, днями, месяцами и годами, а эффект использования информации, если его исчислять в деньгах, может в одних случаях измеряться в копейках, а в других — миллионами рублей. Иногда информацию характеризуют не ее ценностью, а критическим временем Т, после которого она становится ненужной или даже вредной [2].

Обмен информацией для людей не прихоть, а такая же естественная потребность, как пища, воздух, сон и т. д. Обмен информацией включает ее передачу и прием. Когда говорят о передаче информации, то подразумевают, что есть источник информации, получатель (потребитель) информации и средства ее передачи. Средства передачи, определенные физиологическими возможностями человека (например возможностями голосовых связок или зрительных органов), не могут решить проблему передачи больших объемов информации на значительные расстояния. Для ее решения человек создал и широко использует технические средства — средства связи. В узком смысле под понятием связь понимается техническая база средств связи, обеспечивающая передачу и прием информации. Отношения между связью и информацией такие же, как утра спорта и перевозимого груза. Средства связи не нужны, если нет информации, так же, как не нужен грузовой транспорт при отсутствии груза.

В широком смысле понятие «связь» — процесс передачи сообщений от источника к получателю [3].

Для того чтобы информацию можно было доставить, она должна быть представлена в виде сообщения S(I_a), записанного на каком- либо носителе с использованием определенного языка.

Носитель информации — средство регистрации информации (магнитная лента, гибкий диск и т. д.).

Сообщение кроме основной информации должно включать адрес, указывающий, куда оно должно быть доставлено, ряд сведений, позволяющих идентифицировать как все сообщение, так и отдельные его составляющие, подпись (адрес отправителя) и некоторую служебную информацию, определяющую порядок доставки.

Таким образом, сообщение — это форма выражения (представления) информации, удобная для передачи на расстояние. Объем сообщения V, определяется всей указанной информацией и чаще всего оценивается числом знаков (букв или цифр) или временем его передачи, когда речь идет о телефонных сообщениях или вещании программ.

Способность видеть позволяет человеку воспринимать информацию в форме неподвижных или подвижных изображений, называемых оптическими сообщениями (текст на листе бумаги, фотография и т.д.). Способность слышать помогает воспринимать информацию, представляющую собой механические колебания частиц воздушной среды, называемые звуковыми сообщениями (музыка, речь).

Сообщения в форме изображений или звуков естественны и удобны для общения между людьми, но современное производство немыслимо без связи человека с электронно-вычислительными машинами (ЭВМ). Со временем человек обязательно «научит» ЭВМ распознавать звуковые образы (звуки), а пока они воспринимают информацию в форме знаков. Знаки — это буквы, цифры и другие символы, из которых составляются сообщения путем их нанесения на специальные носители информации: перфоленты, магнитные ленты, барабаны, диски и т.д. Сообщения, предназначенные для обработки на ЭВМ или полученные от ЭВМ, принято называть данными.

Любое сообщение имеет переменный параметр, в который «заложена» информация, содержащаяся в нем. Этот параметр называется информационным. По характеру изменения информационных параметров различают непрерывные и дискретные сообщения. Если информационный параметр сообщения в процессе изменения может принимать любые значения из некоторого множества возможных значений, то сообщение называется непрерывным. Непрерывными являются звуковые сообщения. Действительно, звуковое давление может принимать любые значения из непрерывного множества возможных значений.

Любые текстовые и цифровые сообщения составляются из определенного конечного и известного набора знаков (например букв алфавита). Подобные сообщения принято называть дискретными.

Содержащее информацию сообщение бесполезно, если оно не передано тому, кому предназначено — получателю информации. Когда сообщение записано на каком-либо вещественном носителе, то его можно доставить получателю с помощью того или иного вида транспорта. Так поступают при передаче письменных сообщений в почтовой связи. Однако такой способ не является единственно возможным. Для передачи сообщений могут быть использованы физические процессы, характеризующиеся способностью переносить с определенной скоростью от источника к получателю сообщения, содержащие информацию в виде звуковых или электромагнитных волн. Физический процесс, отображающий передаваемые сообщения, называют сигналом.

Отображение передаваемого сообщения обеспечивается изменением какой-либо физической величины, характеризующей процесс передачи. Ее называют информационным параметром сигнала.

            В дальнейшем будем рассматривать принципы и средства связи, основанные на использовании в качестве переносчиков сообщений электрические сигналы как наиболее распространенные. Электрические сигналы имеют ряд существенных преимуществ перед сигналами другой физической природы: они могут передаваться на большие расстояния, их форму можно преобразовывать сравнительно простыми техническими средствами, скорость их распространения близка к скорости света. Электрические сигналы, как и сообщения, могут быть непрерывными и дискретными. Отличие непрерывных сигналов от дискретных состоит в том, что информационный параметр непрерывного сигнала может принимать любые значения из непрерывного множества возможных значений (например напряжение, сила тока, напряженность электрического или магнитного поля и т. д.). Непрерывный сигнал часто называют аналоговым. Дискретный сигнал характеризуется конечным числом значений информационного параметра. Чаще всего этот параметр может принимать одно из двух значений. Примеры аналогового и дискретного сигналов представлены на рис. 1.2.

Процесс передачи или приема сигналов, знаков, текстов, изображений, звуков по проводной, радио, оптической или другим электромагнитным системам называется электросвязью [4].

Для лучшего усвоения понятий используем системный подход. Системный подход — способ проведения исследований, когда все явления, объекты, предметы и процессы рассматриваются как системы. Системный подход позволяет любой промежуточный элемент более крупной системы рассматривать как отдельную самостоятельную систему взаимосвязанных элементов [5]. Такой подход является достаточно полным и объективным, что позволяет сформировать целостное представление о связи.

Наиболее часто на практике приходится иметь дело с передачей буквенно-цифровых текстов телеграмм, данных для ЭВМ, речи, изображений подвижных и неподвижных объектов (фотографии, чертежи, рисунки, полосы газет и т. д.). Неоднородность передаваемых сообщений привела к необходимости создания нескольких видов электросвязи. Кратко опишем каждый из них в зависимости от характера передаваемых сообщений (рис. 1.3).

Телеграфная связь и передача данных обеспечивают передачу дискретных сообщений в виде текстов (телеграмм) и цифровых данных соответственно, причем передача данных обеспечивает более быструю и качественную передачу сообщений.

Такие виды электросвязи, как телефонная связь и звуковое вещание, предназначены для передачи звуковых сообщений.

Телефонная связь — вид электросвязи, предназначенный для обмена информацией преимущественно путем разговора с использованием телефонных аппаратов [6].

Звуковое вещание — вид электросвязи, предназначенный для передачи программ звукового вещания широкому кругу территориально рассредоточенных слушателей посредством радио- и проводных линий [7].

Таким образом, телефонная связь обеспечивает ведение переговоров между людьми (абонентами), а звуковое вещание — одностороннюю и высококачественную передачу звуковых сообщений (радиопрограмм), предназначенных одновременно для многих слушателей.

Телевизионное вещание и видеотелефонная связь осуществляют одновременную передачу оптических и звуковых сообщений. При этом телевидение обеспечивает одновременную передачу сообщений для широких масс населения, а видеотелефонная связь — двустороннюю передачу индивидуальных сообщений, позволяя вести переговоры, при которых собеседники видят друг друга. Правда, видеотелефонная связь не получила широкого распространения из- за относительно большой стоимости передачи сообщений.

факсимильная связь и ее разновидность — передача газетных полос — обеспечивают передачу оптических сообщений в виде неподвижных изображений (в том числе и цветных).

Виды электросвязи, обеспечивающие передачу сообщений, записанных на носители, и прием этих сообщений с последующей записью на носителе, называют документальными.

Рассмотренные основные виды электросвязи охватывают далеко не все области ее использования в современной жизни. Некоторые дополнительные сферы специального применения электросвязи будут рассмотрены далее.

Для реализации задач, стоящих перед связью, необходима определенная система. Понятие система», как и «информация», имеет множество определений. Система — множество закономерно связанных друг с другом элементов, представляющее собой определенное, целостное образование, единство [5]. Поэтому применительно к связи можно определить понятие системы связи как совокупности сетей связи с единым управлением и обеспечением.

Сеть связи — часть системы связи, представляющая собой совокупность узлов и линий связи, выделенная по определенному признаку (виду, роду связи, структурной и функциональной автономности и др.) и предназначенная для обмена информацией между абонентами (пользователями) связи.

Узел связи — это организационно-техническое объединение сил и средств связи, развернутых на пунктах управления, в объекте (сооружении) или заданном районе для обеспечения связи.

Линия связи — элемент системы связи, обеспечивающий образование каналов и групповых трактов первичной сети, имеющих общие среду распространения, а также силы и средства их обслуживания [8].

Для строительства или развертывания линий связи применяются, как правило, однородные средства связи. Линии связи могут быть стационарными и полевыми. По используемым средствам связи они подразделяются на радио- радиорелейные, тропосферные, спутниковые, проводные (кабельные), а по предназначению в системе связи  на линии осей, рокад связи, линии прямой связи, линии привязки. Кроме того, в узлах связи развертываются (прокладываются) соединительные, абонентские линии связи, линии дистанционного управления и телесигнализации функционально в системе связи могут быть выделены подсистемы связи. Подсистема связи — это часть системы связи, выделенная по определенному признаку, которая обладает определенной самостоятельностью и допускает при необходимости разложение на составляющие ее элементы [5]. Например, для эффективного управления и всестороннего обеспечения функционирования системы связи при любых условиях создаются подсистемы управления и обеспечения функционирования как организационно-технические объединения органов и объектов управления, сетей связи для управления. Названием «подсистема» подчеркивается, что она должна обладать свойствами системы (в частности свойством целостности). Этим подсистема отличается от простой группы элементов, для которой не сформулирована подцель и не выполняется свойство целостности. Для такой группы используется название «компонент», например стационарный компонент подсистемы.

Элемент — простейшая неделимая часть системы связи, обладающая определенной самостоятельностью в действиях по отношению ко всей системе (например узел или линия связи) [5].

1.2. СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ

1.2.1. СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ НЕПРЕРЫВНЫХ СООБЩЕНИЙ

Система передачи — это комплекс технических средств, обеспечивающих образование линейных трактов, типовых групповых трактов и каналов передачи [9].

В состав системы передачи входят аппаратура, осуществляющая преобразование и усиление сигналов, устройства электропитания, телеуправления и телесигнализации.

Для передачи непрерывных сообщений применяют системы передачи сигналов телефонной связи, звукового и телевизионного вещания, факсимильной связи.

1.2. 1. 1. СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ ТЕЛЕФОННОЙ СВЯЗИ

Системы передачи сигналов телефонной связи предназначены для передачи на расстояние звуковых (акустических) сообщений, создаваемых голосовыми связками и воспринимаемых органом слуха (ухом) человека. В качестве передатчиков используются устройства, которые преобразуют звуковые колебания, происходящие в воздушном пространстве, в электрические сигналы, передаваемые на расстояние. Такие акустические преобразователи называются микрофонами.

В телефонных системах чаще всего применяются угольные микрофоны, в которых осуществляется преобразование звуковых колебаний в электрический ток (сигнал), параметры которого изменяются аналогично изменению параметров звукового сообщения.

Приемник в системе телефонной связи выполняет обратное преобразование электрических сигналов в звуковые колебания. Такой электроакустический преобразователь называется телефоном.

Для удобства телефоны и микрофоны конструктивно объединены в общий корпус, называемый микротелефоном.

Кроме микрофона и телефона, являющихся элементами системы, у каждого абонента имеется ряд вспомогательных устройств, необходимых для удобства подключения, вызова и сигнализации. Основные и вспомогательные элементы, которыми пользуется абонент, конструктивно составляют телефонный аппарат. Современные телефонные аппараты весьма разнообразны. Они отличаются типами микрофонов, телефонов, номеронабирателей, а также формой корпуса аппарата.

Телефонные аппараты, установленные у абонента и корреспондента, могут быть связаны между собой либо линией связи, либо каналом связи.

Каналы связи в системах телефонной связи образуются совокупностью технических устройств и среды распространения, обеспечивающих прохождение сигналов от одного телефонного аппарата к другому.

Система передачи, обеспечивающая связь между абонентами, находящимися на расстоянии от нескольких десятков метров до сотен тысяч километров, — сложное и дорогое сооружение. Основная доля затрат (от 70 до 90 % общей стоимости) приходится на линии связи. Поэтому при проектировании и развертывании линий связи основная задача состоит в том, чтобы предусмотреть передачу максимального количества сообщений при минимальных затратах материальных средств и людских ресурсов, сокращении времени развертывания линий и т. д. Эта задача решается применением много- канальных систем передачи.

Многоканальной системой передачи называется совокупность технических средств, обеспечивающих одновременную и независимую передачу сообщений от N источников к N получателям по одной проводной или радиолинии.

В самом общем виде n-канальная система передачи имеет вид, изображенный на рис. 1.4. Первичные сигналы С₁(t), С₂ (t), ..., С_n,(t) поступают на преобразователи П₁, П₂, ..., П₄, где происходит образование стандартных канальных сигналов S₁,(t), S₂,(t) ..., S_n(t)

Для аналитического описания этого преобразования введем в рассмотрение операторы П_i (i= 1, ..., N), связывающие входные С_i,.(t) и выходные S_i(t) сигналы. Можно записать соотношение

В процессе преобразования необходимо решить две задачи. Во первых, требуется сформировать канальные сигналы так, чтобы в них содержались передаваемые сообщения, т. е. сведения о форме первичных сигналов, поступающих на входы каналов. Во вторых, каждый из канальных сигналов S_i(t) нужно наделить совокупностью физических признаков отличающих его от остальных канальных сигналов. Эти признаки (или параметры) называются разделительными.

С преобразователей канальные сигналы поступают на устройство объединения, где происходит объединение в групповой сигнал Я . Обозначив оператор объединения через О, получим выражение

Такие системы называются аддитивными. Системы, в которых для формирования группового сигнала применяются другие операции (не суммирование), называют комбинационными. В современной многоканальной связи в большинстве случаев используют аддитивные системы.

Для согласования устройства объединения (УО) с линейным трактом устанавливается аппаратура сопряжения (АС).

Линейный тракт — комплекс технических средств системы передачи, обеспечивающий передачу сигналов электросвязи в полосе частот или со скоростью, соответствующей данной системе передачи [9].

На выходе аппаратуры сопряжения формируется линейный сигнал, который передается по линии передачи.

Линия передачи — совокупность линейных трактов однотипных или разнотипных систем передачи, имеющих общие среду распространения, линейные сооружения и устройства их обслуживания [9].

Линейный сигнал, проходя через элементы системы передачи, претерпевает искажения — линейные и нелинейные. Кроме того, он подвержен воздействиям преднамеренных и непреднамеренных помех. Сигнал, поступивший на вход приемной части системы, отличается от переданного. Введем следующие обозначения: S(t) — сигнал на входе приемной части системы; L — оператор, характеризующий линейные искажения; Z- оператор, характеризующий нелинейные искажения; P(t) — аддитивная помеха. Тогда принятый сигнал может быть записан в виде

1.2. 1.2. СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ ЗВУКОВОГО ВЕЩАНИЯ

            Система передачи сигналов звукового вещания — совокупность технических устройств, обеспечивающих одновременную передачу звуковых сообщений (речи, музыки) от источника до большого числа слушателей, рассредоточенных в пространстве [10]. Организационно система звукового вещания состоит из органов формирования про- грамм (1), системы передачи программ (2), слушателей (3) (рис. 1.5).

            Участок системы, где происходит а формирование программ и производиться их предварительная обработка, называется головным звеном (1). Он расположен слева от линии А-А и включает

Рис.1.5.Организационная в себя часть системы, которая функционирует в ведении            Министерства культуры и массовых коммуникаций Российской Федерации и акционерных обществ, которые работают на коммерческих началах и находятся под контролем государства. Здесь располагаются студии, аппаратные, устройства звукозаписи и звуковоспроизведения, репортажные устройства и вспомогательные службы. Таким образом, на участке слева от линии раздела А-А формируется не только содержание программ, но и производится преобразование звучаний программ в соответствующие электрические сигналы, подвергаемые особой обработке. Участок 2 находится в ведении Министерства транспорта и связи Российской федерации. Сформированный сигнал в электрической форме подлежит дальнейшей передаче при помощи системы передачи сигналов звукового вещания (2) к потребителю (слушателю) (3).

            В зависимости от технических средств, используемых для передачи этого сигнала, различают системы радио и проводного вещания. В первом случае сигналы передаются по радиоканалу, в котором средой распространения является свободное пространство. Радиоканал образуется с помощью специальных устройств, основными из которых являются радиопередатчик, передающая и приемная антенны, а также радиоприемник.

            Радиопередатчик преобразует первичный низкочастотный сигнал в высокочастотный, излучаемый передающей антенной в окружающее пространство в виде электромагнитных волн. В принципе можно получить излучение при любой частоте (т. е. при любой длине волны), однако для эффективного излучения отношение линейного размера (высоты) антенны к длине волны должно быть около единицы. Для передачи низких частот без преобразования необходимы антенны с очень большими размерами, а также передатчики с неэффективными и громоздкими усилителями мощности. Поэтому в системах радиовещания применяются высокие частоты, позволяющие получить эффективное излучение при помощи антенн приемлемых размеров. Под воздействием поля излучения в приемной антенне возникает высокочастотный ток, характер изменения которого повторяет закон изменения высокочастотного сигнала. В радиоприемнике из высокочастотного сигнала после соответствующей обработки выделяется первичный (исходный) сигнал. Далее низкочастотный первичный сигнал преобразуется громкоговорителем в звуковое сообщение. Приемная антенна и радиоприемник вместе с громкоговорителем часто объединены в один аппарат, называемый радиоприемным устройством. В быту это устройство просто называют радиоприемником.

Часть обобщенной классификации радиочастотного диапазона, в котором, согласно рекомендациям международного союза по электросвязи (МСЭ), могут работать радиовещательные станции, представлена в табл. 1.1.

            В системах проводного вещания сигналы звукового вещания доставляются до слушателей по так называемым проводным каналам, использующим в качестве среды распространения специальные направляющие устройства — проводные линии передачи. Иногда часть канала реализуется радиотехническими средствами, а часть — про-

водными. При этом сообщения также преобразуются в сигнал с помощью микрофона, устанавливаемого в специальных помещениях — студиях. Приемниками являются абонентские громкоговорители, устанавливаемые непосредственно в квартирах слушателей. Передача сигналов между микрофоном и приемником осуществляется по проводам, проходящим через специальные узлы проводного вещания.

В настоящее время передается пять программ центрального вещания:

Первая — «Радио России», основная общероссийская, информационная, общественно-политическая, познавательная и художественная.

Вторая — «Маяк», круглосуточная информационно-музыкальная. Третья — общеобразовательная и литературно-музыкальная.

Четвертая — музыкальная. Пятая — круглосуточная информационная, общественно политическая и художественная.

            Кроме того, в автономных республиках, краях и областях формируются программы местного вещания, для которых в крупных городах отводится до 10 часов в сутки, остальное время предоставляется программам центрального вещания.

Министерство культуры и массовых коммуникаций Российской Федерации отвечает за формирование программ, а Министерство информационных технологий и связи Российской Федерации — за дальнейшую их передачу по физическим и радиолиниям до слушателей. В точке раздела А-А производится контроль федеральным агентством по печати и массовым коммуникациям, которое отвечает за качество передач в целом.

1.2. 1.3. СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ ФАКСИМИЛЬНОЙ СВЯЗИ

            Система факсимильной связи — система передачи, предназначенная для доставки неподвижного изображения, выполненного на специальных носителях определенного формата (бумаге, пленке и др.) [10]. Различные участки поверхности носителей (бланков) имеют разные коэффициенты отражения света и по разному воспринимаются глазами. Сочетание светлых и черных участков поверхности бланка воспринимается человеком как изображение. Информационным параметром изображений является коэффициент отражения, определяемый как отношение светового потока, отраженного от участка изображения, к потоку, падающему на этот участок. Изменение коэффициента отражения при переходе от одного участка изображения к другому в общем случае имеет непрерывный характер.

            Передатчик системы факсимильной связи преобразует неподвижное изображение в электрический сигнал. Основным элементом передатчика является фотоэлектрический преобразователь. Для преобразования используются физические явления, происходящие в некоторых веществах под действием падающего на них светового потока: внутренний и внешний фотоэффект. Внутренний фотоэффект проявляется, например, в изменении электропроводности некоторых веществ под влиянием светового потока. Суть внешнего фотоэффекта заключается в испускании электронов некоторыми веществами под действием светового потока. Световой поток как бы «выбивает» электроны с поверхности некоторых материалов. Количество испускаемых электронов пропорционально интенсивности светового потока. В результате около освещенной поверхности образуется «облако» электронов. Фотоэлектрические преобразователи, использующие это явление, называются фотоэлементами.

            Преобразование изображений в электрический сигнал с помощью фотоэлектрических преобразователей выполняется поэлементно. Для этого поверхность бланка с изображением разбивается на большое количество мелких (0,1...0,2 мм) участков, называемых элементарными площадками (рис. 1.6).

            Размеры площадок выбираются с таким расчетом, чтобы отражательная способность в их пределах была однородной, т. е. характеризовалась бы одним значением коэффициента отражения. Элементарные площадки поочередно освещаются источником света через специальные линзы. Световой поток, отраженный от каждой площадки, собирается с помощью объектива и направляется на фотокатод

фотоэлектрического преобразователя. В цепи преобразователя при этом будет протекать электрический ток, пропорциональный коэффициенту отражения площадки. Подобным образом получаются сигналы поочередно от всех элементарных площадок изображения.      Последовательность преобразования обеспечивается с помощью специальных развертывающих устройств.

            В результате в цепи фотоэлектрического преобразователя получается изменяющийся во времени сигнал U(t) Такое поэлементное и последовательное преобразование изображения в сигнал называется анализом изображения. Соответственно передатчик факсимильной системы называется анализирующим устройством.

Анализирующее устройство состоит из светооптической системы, фотоэлектрического преобразователя (ФЭП) и развертывающего устройства (рис. 1.7). Светооптическая система служит для выделения элементарных площадок изображения путем их раздельного освещения и концентрации отраженных от площадок лучей на светочувствительном элементе ФЭП. Она содержит источник света (ИС), конденсор Л, и объектив Л .

С выхода ФЭП сигнал поступает в канал связи. Развертывающее устройство обеспечивает последовательность преобразования световых потоков, отраженных от элементарных площадок изображения. На рис. 1.7 изображено развертывающее устройство барабанного типа. Бланк с изображением укрепляется на цилиндрической поверхности барабана, совершающего вращательное (вокруг оси) и поступательное (вдоль оси) движения, благодаря чему и осуществляется развертка изображения.

            В современных системах факсимильной связи применяются различные способы преобразования электрического сигнала в изображение. Их можно разбить на три группы.

            К первой группе относятся способы, использующие для получения изображения различного рода пишущие устройства (карандаши, перья и т. д.), способные оставлять след на бумаге.       

            При этом работой пишущего устройства управляет сигнал, обеспечивающий движение пишущего элемента и касание его с определенными участками бланка.

            Вторую группу составляют способы, использующие для получения изображений различные физические или химические процессы, происходящие в специальных бумагах под действием электрического тока (сигнала). При этом изменяются отражательные свойства участков бланка. Например, те участки, через которые протекал большой ток, становятся более темными.

            К третьей группе относятся способы, в которых процесс преобразования сигнала в изображение состоит из двух этапов. Вначале электрический сигнал, получаемый из канала, преобразуется в световой сигнал, который затем фиксируется на светочувствительном материале.

            При всех способах воспроизведение изображений выполняется поэлементно и последовательно. Такой процесс получения изображений называется синтезом, а соответствующее устройство — синтезирующим.

            На рис. 1.7 показано синтезирующее устройство, относящееся к третьей группе. Оно состоит из модулятора света (МС), объектива из развертывающего устройства барабанного типа. МС — это источник света, яркость которого пропорциональна величине проходящего через него тока (сигнала). Световой поток от МС собирается и фокусируется объективом на участке светочувствительного материала (фотобумаге, фотопленке и т. д.). закрепленного на поверхности барабана, который совершает движение, аналогичное движению барабана анализирующего устройства и согласованное с ним.

1.2. 1.4. СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ ТЕЛЕВИЗИОННОГО ВЕЩАНИЯ

            Система передачи сигналов телевизионного вещания — совокупность технических устройств, обеспечивающих доведение телевизионных программ от телецентра до телезрителей [10].

            Телевидение предназначено для одновременной передачи оптических и звуковых сообщений, поэтому системы телевизионной связи содержат две подсистемы. Подсистема передачи звуковых сообщений практически не отличается от рассмотренной выше системы звукового вещания. Подсистема передачи оптических сообщений обеспечивает передачу подвижных изображений. Она, как и любая другая система электросвязи, состоит из трех основных элементов: передатчика, канала связи и приемника. Процесс преобразования подвижных изображений в сигнал и обратно не имеет принципиального отличия от процесса преобразования неподвижных изображений, но его практическая реализация существенно отличается. Эффект движения здесь, как и в кино, достигается благодаря быстрой смене неподвижных изображений (кадров). Как известно, на кино- экране за каждую секунду показывается 24 кадра. Благодаря инерционности зрения человек не замечает моменты смены кадров и у него создается ощущение перемещения объектов изображения. Следовательно, преобразование подвижных изображений по сравнению с преобразованием неподвижных изображений должно происходить с гораздо большей скоростью развертки. Поэтому для преобразования подвижных изображений в сигнал и обратно применяются не механические, а электронные развертывающие устройства. Основными элементами преобразователей являются специальные электроннолучевые трубки.

            Телевизионные сигналы, как правило, передаются по радиоканалу. Радиоканал включает телевизионный радиопередатчик, передающую антенну, приемную антенну и телевизор (рис. 1.8). Спектр видеосигнала достаточно широк и ограничен относительно низкими частотами (f_max= 6 МГц), поэтому его невозможно передавать без преобразований.      Преобразование видеосигнала в радиочастотный сигнал, излучаемый передающей системой в окружающее пространство в виде радиоволн, осуществляется в телевизионном радиопередатчике. Для этого используют несущую частоту изображения и несущую частоту звукового сопровождения, которые изменяются под действием видео и звукового сигнала соответственно.

            Например, для первого телевизионного канала применяются 49,75 МГц — несущая частота изображения и 56,25 МГц — несущая частота звукового сопровождения. В результате преобразования частотные границы такого канала с учетом защитных полос составляют 48,5 и 56,5 МГц.

            На приемной стороне системы часть энергии радиоволн перехватывается приемной антенной, усиливается и вновь преобразуется в телевизионном радиоприемнике в видеосигнал. Для преобразования видеосигналов в сообщения используется свойство не- которых веществ светиться под воздействием падающего на них потока электронов. Такие вещества называются люминофорами. Яркость их свечения пропорциональна интенсивности падающего потока. Люминофоры нанесены на приемную электронно-лучевую трубку(кинескоп).

            Устройства, обеспечивающие преобразование радиочастотных сигналов в электрические сигналы звуковых частот и видеосигналы, а также громкоговоритель и кинескоп конструктивно объединены в один аппарат, называемый телевизором.

            Используемые в настоящее время системы телевизионного вещания не в полной мере удовлетворяют телезрителей, так как при близком рассмотрении телевизионного изображения на экране телевизора становится заметна строчная структура, наблюдаются искажения цвета, при высокой яркости изображения возникают мерцание строк и другие дефекты. В результате четкость телевизионного изображения значительно уступает четкости фотографии и современных кинофильмов. Ограниченные размеры экрана не обеспечивают зрителю «эффекта присутствия». Для повышения качества телевизионного вещания инженеры всего мира заняты поиском новых подходов к построению его элементов.   Практически все разработки, посвященные повышению качества телевизионного изображения, ведутся в трех основных направлениях:

            1. Использование «резервов» современных систем телевизионного вещания посредством применения дополнительной аналоговой и цифровой обработки сигналов на передающей и приемной сторонах без изменения стандартов кодирования и передачи на передающей стороне. Это так называемое улучшение» версий действующих систем, позволяющее получить изображение повышенного качества.

            2. Изменение систем передачи сигналов телевизионного вещания по радиоканалу, позволяющее улучшить качественные показатели принимаемого изображения. При этом обеспечивается возможность приема обычным приемником изображения стандартного качества и специальным приемником — изображения с повышенной четкостью.

            3. Применение многострочных телевизионных систем с большим, чем у существующих стандартов числом строк разложения и увеличенным форматом кадра. Эти многострочные системы получили в настоящее время название систем телевидения высокой четкости, или высокого разрешения (ТВЧ, или ТВР). Система ТВЧ позволяет различать мелкие детали изображения при наблюдении со средней остротой зрения.

1.2.2. СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ДИСКРЕТНЫХ СООБЩЕНИЙ

            Для передачи дискретных сообщений применяются система телеграфной связи, система передачи данных и другие. Особенностью построения таких систем передачи сообщений является то, что в них подлежат обработке, хранению и передаче дискретные сигналы (разд. 1.1). Исходя из этой особенности и с учетом специфики задач, стоящих перед данными системами, рассмотрим более подробно каждую из них отдельно.

1.2.2. 1. СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ СИГНАЛОВ ТЕЛЕГРАФНОЙ СВЯЗИ

            Система телеграфной связи предназначена для двусторонней передачи дискретных сообщений (телеграмм). Она состоит из приемного и передающего устройств, канала связи (рис. 1.9).

            Передатчик и приемник конструктивно объединяются и образуют устройство, называемое оконечным телеграфным аппаратом. Следовательно, телеграфная связь реализуется системой, состоящей из двух оконечных телеграфных аппаратов, соединенных каналом связи.

            В системах передачи дискретных сообщений используется кодовый метод преобразования сообщения в сигнал и обратно. Смысл этого метода заключается в том, что знаки сообщения при передаче заменяются кодовыми комбинациями, составляемыми из определенных элементов. При этом каждому знаку сообщения соответствует своя комбинация.

            Совокупность всех используемых комбинаций составляет телеграфный код. Старейшим и наиболее известным является код Морзе, комбинации которого составляются из двух различных элементов «точка» и «тире». Например, комбинация буквы Е состоит из одного элемента — «точки», комбинация буквы А — из «точки» и «тире», буквы Ш — из четырех «тире» и т. д. Такой код называется неравномерным.

            Наибольшее распространение сейчас получили равномерные коды, у которых длина всех кодовых комбинаций одинакова. Например, пятиэлементный код МТК-(международный телеграфный код) имеет 32 комбинации, что позволяет кодировать весь русский алфавит и 10 цифр (Л — 01001; 0 — 01111 и т. д.). Кроме пятиэлементной информационной части код имеет стартовую и стоповую посылки для синхронизации телеграфных аппаратов (рис. 1.10).

            В системах передачи данных используется международный восьмиэлементный двоичный код МТК-5, позволяющий передавать гораздо большее число различных знаков сообщений.

            При использовании кодов передача сообщений сводится к передаче двух различных элементов кодовых комбинаций. Преобразование комбинации в сигнал осуществляется с помощью устройств, имеющих два устойчивых состояния. Простейшими двоичными устройствами являются контакты, последовательно замыкающие и размыкающие линейные электрические цепи. При замыкании цепи в канал подается токовый импульс, соответствующий одному элементу комбинации, например «1», а при размыкании (тока в цепи нет) — бестолковый импульс, соответствующий элементу «О». Дискретный сигнал, полученный таким образом, представляет собой комбинации токовых и бестолковых импульсов определенной длительности, последовательно передаваемых в канал связи.

            Итак, процесс преобразования знаков сообщения в сигнал начинается с кодирования, в результате которого знаки заменяются кодовыми комбинациями. Затем элементы комбинации последовательно преобразуются в элементы сигнала, т. е. в импульсы тока. Эти функции выполняются специальными устройствами передающей части оконечного телеграфного аппарата.

            Приемник системы телеграфной связи выполняет обратное преобразование сигнала в сообщение в следующей последовательности. Сначала элементы сигнала поочередно принимаются, преобразуются в элементы кодовой комбинации и запоминаются. Затем определяется знак, соответствующий принятой кодовой комбинации. т.е. выполняется операция, обратная кодированию, называемая декодированием. Процесс приема заканчивается записью знака на бумаге (перфораторной ленте). Все перечисленные операции выполняются специальными устройствами приемной части оконечных телеграфных аппаратов.

Скорость работы системы телеграфной связи определяется как техническими устройствами, так и обслуживающим персоналом и составляет 50, 100 и 200 Бод.

1.2.2.2. СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИДАННЫХ

            Система передачи данных — совокупность канала связи, аппаратуры передачи данных и оконечного оборудования данных.

            Развитие систем передачи данных (СПД) связано с появлением и бурным развитием электронно-вычислительных машин. По СПД передаются сообщения, представляющие собой цифровые данные, предназначенные для обработки на ЭВМ или уже обработанные на них.

            Системы передачи данных не имеют принципиальных отличий от систем телеграфной связи. В них также используется условный (кодовый) метод преобразования сообщений в сигнал и обратно, а поэтому процесс передачи сообщений и устройства передатчика и приемника не отличаются от соответствующих элементов системы телеграфной связи. Вместе с тем передача данных имеет следующие особенности:

            1. Требуется обеспечить высокую достоверность передаваемых сообщений, так как в отличие от телефонной и телеграфной связи оператор не может исправить ошибки по смыслу сообщения. Поэтому в подавляющем большинстве систем передачи данных предусмотрено автоматическое обнаружение и исправление ошибок, появляющихся при передаче по каналу.

            2. Большие объемы данных требуют повышенных скоростей передачи. Имеет значение также время, в течение которого нужно передать сообщение. В отличие от телеграфной связи, где время передачи телеграммы составляет несколько десятков минут, данные должны передаваться за секунды, а иногда и за доли секунд. По этой причине для передачи данных определена следующая иерархия скоростей:

— низкие (50, 100, 200 бит/с);

— средние (600, 1 200, 2 400, 3 600, 4 800, 9 600 бит/с);

— высокие () 16 Убит/с.

            3. Применение технологических алгоритмов обработки данных и недопустимость больших задержек в передаче сообщений выдвигают повышенные требования к надежности системы передачи данных. Заданная надежность обеспечивается рациональным расчетом, качественным изготовлением аппаратуры и комплектующих изделий, тщательным выполнением правил эксплуатации.

            Структурная схема одного из возможных вариантов построения СПД приведена на рис. 1.11.

            СПД содержит оконечную аппаратуру (ОА), специальную аппаратуру передачи данных (АПД) и устройства согласующие (УСО).

            В качестве ОА в низкоскоростных системах передачи данных могут использоваться обычные телеграфные аппараты. Однако, как правило, в СПД применяются специальные высокоскоростные передатчики (трансмиттеры) и приемники (реперфораторы).

            АПД состоит из двух полукомплектов: передающего и приемного. Полукомплекты используются в зависимости от функций оконечных пунктов, выполняемых в процессе передачи. Если оконечный пункт передает сообщение, то работает полукомплект передачи, на приемном пункте работает полукомплект приема. Поскольку функции оконечных пунктов меняются, то каждый из них имеет оба полукомплекта, конструктивно объединенных в аппаратуру передачи данных.

            В АПД входят устройства защиты от ошибок (УЗО) и устройства преобразования сигналов (УПС). Первое обеспечивает нужную степень достоверности передаваемых сообщений путем обнаружения и исправления ошибок, появляющихся в процессе передачи.

            В настоящее время разработаны и применяются различные способы борьбы с ошибками. Наиболее простыми в реализации являются способы, основанные на повторении передачи сообщений. Если каждое сообщение передается несколько раз, то при анализе принятых сообщений ошибки могут быть обнаружены и устранены. При наличии между оконечными пунктами одного канала связи повторение может быть только последовательным, а при наличии нескольких каналов — параллельным, т. е. одновременно по нескольким каналам. Обнаружить и исправить ошибки в обоих случаях оказывается возможным путем повторений передач сообщений или внесения избыточной информации. В АПД применяются и другие способы борьбы с ошибками.

В качестве канала связи чаще всего используется стандартный канал тональной частоты (КТЧ) или канал тонального телеграфирования.

            Устройство преобразования сигналов, имеющее также передающую и приемную части, обеспечивает согласование частотных характеристик сигналов с параметрами каналов передачи. Основным элементом передающей части УПС является модулятор, а приемной части — демодулятор. Эти устройства конструктивно объединяются под общим названием модем.

            Согласующие устройства предназначены для согласования режимов работы оконечной аппаратуры и аппаратуры передачи данных: скорости передачи, методов газирования, кодов и т. д.

            Все элементы СПД реализуются, как правило, на электронных элементах с использованием микропроцессоров и интегральных схем.

Таким образом, современные системы передачи представляют собой комплексы сложных и разнообразных технических средств, осуществляющих преобразование, усиление и передачу сигналов электросвязи. Знание теоретических основ построения систем передачи необходимо для грамотной их эксплуатации, проектирования линий связи.

1.3. СЕТИ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ, ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

1.3.1. ПОНЯТИЕ О СЕТИ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ И ЕЕ СОСТАВНЫХ ЧАСТЯХ

            В наши дни каждый человек пользуется теми или иными услугами электросвязи: слушает радио, смотрит телевизионные передачи, разговаривает по телефону, отправляет и получает телеграммы и т д. В любом случае услуга электросвязи заключается в передаче сообщения на расстояние. Отправителями (источниками) и получателями (потребителями) сообщений являются люди или устройства, обслуживаемые людьми, например ЭВМ. Для передачи каждого сообщения необходимы средства электросвязи, или совокупность определенных технических устройств, образующих систему электросвязи.

            Систем электросвязи, а, следовательно, и технических средств, требуется очень много, поскольку речь идет о возможности предоставления услуг электросвязи всем желающим.    Например, каждый радиослушатель пользуется своей» системой электросвязи, состоящей из многих различных устройств формирования, усиления, передачи и воспроизведения сигналов. Количество подобных систем равно числу индивидуальных радиоприемников.

            Передаваемое звуковое сообщение предназначено одновременно большому числу слушателей, поэтому передающая часть таких систем будет для них общей. Аналогичная ситуация имеет место в телевидении, где количество «индивидуальных» систем электросвязи для передачи и приема телевизионных программ определяется числом телевизионных приемников. Для каждого телефонного разговора также необходима система электросвязи, обеспечивающая передачу и прием речевых сообщений.

            Очевидно, что таких систем может быть большое множество, они могут быть различны по номенклатуре применяемых устройств и технологий, виду передаваемых сигналов, скорости передачи, объему предоставляемых услуг, но все они характеризуются наличием каналов электросвязи.

            Создание системы для любого вида электросвязи предполагает организацию канала электросвязи между пунктами передачи и приема сообщения. Совокупность этих каналов образует сеть электросвязи, где функции подключения определенных абонентских устройств выполняет специальная аппаратура коммутации, позволяющая образовать тракт для передачи электрических сигналов.

            Таким образом, сеть электросвязи представляет собой совокупность оконечных устройств, коммутационных центров и связывающих их линий и каналов связи [5, 10].

            В сеть электросвязи входят — пользователи (абоненты, клиенты), являющиеся источниками и потребителями информации. Они создают и воспринимают потоки сообщений и, как правило, определяют требования по доставке и обработке информации, выбору вида связи (телефонной, телеграфной, вещания и т. д.) и получению, различных услуг (видов обслуживания) с соблюдением определенного качества;

— пункты связи

            а) абонентские пункты (АП), содержащие аппаратуру ввода и вывода информации в сеть электросвязи (а иногда хранения и обработки). Они находятся в постоянном пользовании определенных абонентов;

            б) пункты информационного обслуживания (ПИО) — справочные службы, различные вычислительные центры (ВЦ), банки данных, библиотеки и другие пункты коллективного пользования, обеспечивающие сбор, обработку, хранение и выдачу информации и предоставление пользователям других услуг, связанных с информационным обеспечением;

            — каналы связи, объединенные в линии связи, которые обеспечивают передачу сообщений между отдельными пунктами сети;

            — сетевые станции, обеспечивающие образование и предоставление вторичным сетям типовых физических цепей, типовых каналов передачи и сетевых трактов, а также их транзит [10];

            — узлы:

             а) сетевые узлы (СУ), обеспечивающие образование и перераспределение сетевых трактов, типовых каналов передачи и типовых физических цепей, а также предоставление их вторичным сетям и потребителям [10];

            б) коммутационные узлы (КУ) для распределения (переключения) каналов, пакетов или сообщений;

            — система управления, обеспечивающая нормальное функционирование и развитие сети электросвязи и взаимоотношения с пользователями. С точки зрения системного анализа сеть электросвязи можно представить тремя уровнями (рис. 1.12):

            — первый

            — внешний уровень, включающий абонентов (клиентов), АП и ПИО, в пределах которого проходит формирование сообщений для передачи в сети электросвязи;

            — второй

            — собственно сеть электросвязи, включающая линии связи (ЛС), каналы связи (КС), станции связи (СТС) и узлы связи (УЗС), обеспечивающие передачу, распределение и коммутацию сообщений между АП (ПИО) абонентов и корреспондентов;

            — третий

            — элементы управления сетью, включающие устройства управления (УУ) узлов, центры управления (ЦУ) и всю администрацию.

Рассмотрим более подробно элементы сети и их свойства. Пользователи распределены по территории в соответствии с расположением хозяйственных, промышленных и других производственных объектов, объектов культуры и жилого фонда. Плотность пользователей (их число на 1 км площади) меняется в значительных пределах и является наибольшей в крупных городах.

Экономические, культурные, личные и другие связи между отдельными пользователями и их коллективами, предприятиями и района-

ми страны определяют потребность в передаче сообщений между оконечными или абонентскими пунктами, обслуживающими соответствующих пользователей, а также между узлами, объединяющими абонентские пункты (АП) какого-либо населенного пункта или района (региона). Потребность в передаче сообщений может быть оценена потоками сообщений в единицу времени и выражена в битах, числе знаков (букв, цифр), телеграмм, страниц и других показателях, характеризующих объем сообщения. На практике удобнее бывает определять потребность в передаче сообщения временем передачи, временем занятия типового канала (в часа занятиях) или необходимым числом каналов.

            Исходя из местоположения пользователей и создаваемых ими нагрузок, определяются местоположения оконечных пунктов, которые могут содержать аппаратуру ввода и вывода информации (телефонные или телеграфные аппараты, радиоприемники, телевизоры, дисплеи, датчики и т. д.). Эти пункты также могут включать в себя различные устройства для хранения и обработки информации, коммутационные устройства, если к ОП подключено несколько каналов, а также каналообразующую аппаратуру. Оконечный пункт характеризуется типом аппаратуры ввода и вывода (видом связи: телефон, телеграф и т. д.), наличием обслуживающего персонала и дополнительного оборудования, пропускной способностью, временем действия, стоимостью и областью обслуживания (индивидуальный абонент, квартира, предприятие, город и т. д.). Оконечный пункт, обслуживающий одного абонента, называют абонентским пунктом.

            Пункты информационного обслуживания подразделяются по их назначению (справочная телефонов, бюро заказов билетов, информационный пункт по какой-либо отрасли, вычислительный центр (ВЦ), обрабатывающий экономическую информацию, и т. д.). В зависимости от объемов передаваемой информации ПИО может иметь один или несколько каналов, соединяющих его с сетью электросвязи, а также у него могут быть абоненты или выносные ОП, соединенные с ним прямыми каналами. В сети ПИО могут рассматриваться как источники информации (ИИ) и потребители информации (ПИ), а также как элементы сети, поскольку создаваемые ими потоки сообщений циркулируют только по сети.

            Распределение информации (сообщений) осуществляется двумя способами: на сетевых узлах кроссированием (долговременным соединением) отдельных каналов или линейных трактов для образования прямых каналов между несмежными пунктами, а на коммутационных узлах — в соответствии с адресом каждого сообщения.

            Линии связи (кабельные, радиорелейные, радио, спутниковые и т. д.), по которым передаются сообщения, характеризуются емкостью 1/(числом каналов ТЧ), или суммарной пропускной способностью всех каналов. Разделение каналов в линии может осуществляться по пространству, частоте или времени. Основной особенностью линий связи является то, что увеличение их пропускной способности (емкости) приводит к снижению затрат на один канал связи обратно пропорционально корню квадратному от емкости. При укрупнении пучков каналов выигрыш получается не только за счет снижения затрат на каналы, но и вследствие того, что при объединении нагрузок повышается степень использования каналов и станционного оборудования.

            Совокупность пучков, узлов и соединяющих их линий (каналов) образует структуру (конфигурацию) сети, определяющую возможность осуществления связи между отдельными пунктами и возможные пути передачи сообщений. Для увеличения надежности сети она строится так, чтобы между отдельными узлами было несколько (обычно 2 или 3) независимых путей.

            Система управления сетью обеспечивает поддержание в рабочем (исправном) состоянии технических средств, доставку сообщений по адресу, распределение каналов между вторичными сетями (потребителями), распределение потоков сообщений, планирование и развитие сети, строительство, материально-техническое обеспечение, подготовку кадров, регулирование отношений с пользователями.

1.3.2. КЛАССИФИКАЦИЯ СЕТЕЙ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ

            В настоящее время в эксплуатации находится большое количество сетей связи, различающихся по нескольким признакам, одни из которых определяют место этих сетей в системе связи, другие — принципы их построения и характер функционирования, третьи — экономический или иного рода эффект, получаемый от их применения. Чем больше классификационных признаков используется при описании конкретной сети связи, тем полнее эта сеть может быть охарактеризована.

            В литературе [3, 6] сети связи классифицируются по назначению, характеру образования и выделения каналов, типам коммутации, по оборудованию и условиям размещения, степени автоматизации. Рассмотрим более подробно классификационные признаки сетей связи (рис. 1.13).

            По назначению сети связи делятся на две большие группы: сети связи общего пользования и сети связи ограниченного пользования.

            Сеть связи общего пользования создается для обеспечения услугами связи населения, различных учреждений, предприятий и организаций.

            При построении сетей связи ограниченного пользования реализуются специфические требования, обусловленные характером деятельности того или иного ведомства, в интересах которого создается данная сеть, а также предусматривается возможность выхода абонентов в сеть общего пользования. К таким сетям относятся сети внутренней связи и сети дальней связи.

            Сеть внутренней связи развертывается на пункте управления (ПУ) и обеспечивает обмен сообщениями между абонентами данного пункта управления [11]. Основными элементами данной сети являются коммутационные центры внутренней связи (КЦВС), связывающие их соединительные линии (СЛ), абонентские оконечные устройства и абонентские линии (рис. 1.14, а).

            Сеть дальней связи относится к одной системе связи, развертывается на территории функционирования данной системы и обеспечивает обмен сообщениями между абонентами различных пунктов управления [11] (рис. 1.14, б).

            Коммутационные центры дальней связи (КЦДС), расположенные на различных ПУ, связываются каналами дальней связи, а размещенные на одном ПУ — соединительными линиями. Совокупность КЦДС, размещенных на одном ПУ, и связывающих их СЛ, называется подсетью дальней связи (ПДС). На сети дальней связи (ДС) широко применяются транзитные КЦ (ТКЦ) без абонентской емкости. Их местонахождение, как правило, не связано с расположением ПУ. Совокупность таких ТКЦ и связывающих их линий (каналов) связи образует опорную сеть связи (ОСС). ОСС часто разбивается на участки, называемые зонами опорной сети связи. Коммутационные центры дальней связи, расположенные на пунктах управления, связываются с транзитными коммутационными центрами опорной сети одной или несколькими линиями привязки.

            Совокупность оконечных устройств (ОУ) и абонентских линий (АЛ), включенных в один КЦ внутренней или дальней связи, образует абонентскую сеть данного КЦ, совокупность ОУ и АЛ на ПУ образует абонентскую сеть данного ПУ.

            По характеру образования и выделения каналов связи сети связи подразделяются на первичные и вторичные [8].

            Первичная сеть — совокупность типовых физических цепей, типовых каналов передачи и сетевых трактов, образованная на базе сетевых узлов, сетевых станций, оконечных устройств первичной сети и соединяющих их линий передачи [9]. При этом под типовой физической цепью и типовым каналом понимается физическая цепь и канал передачи, параметры которых соответствуют принятым нормам [9].

            Сетевой тракт — типовой групповой тракт или несколько последовательно соединенных типовых групповых трактов с включенной на входе и выходе аппаратурой образования тракта [9].

            Вторичная сеть связи — совокупность линий и каналов связи, образованных на базе первичной сети, станций и узлов коммутации или станций и узлов переключений, обеспечивающих определенные вид связи [9]. Фрагмент взаимосвязи первичной и вторичных сетей показан на рис. 1.15.

            Главной задачей первичной сети является образование типовых каналов и групповых трактов связи, задача вторичной сети — доставка сообщений определенного вида от источника к потребителю.

Способ построения сети определяется принятой системой коммутации: долговременной, оперативной или их сочетанием.

По типам коммутации сети подразделяются на коммутируемые, частично коммутируемые и некоммутируемые.

            Для коммутируемых и частично коммутируемых сетей связи характерно использование различных вариантов коммутации.

Долговременной называется коммутация, при которой между двумя точками сети устанавливается постоянное соединение.

Оперативной называется коммутация, при которой между двумя точками сети организуется временное соединение.

Сочетание оперативной и долговременной коммутации предполагает то, что на одних участках информационного направления сети связи может применяться долговременная коммутация, а на других — оперативная.

Коммутируемая сеть связи — это вторичная сеть, обеспечивающая соединение по запросу абонента или в соответствии с заданной программой через канал электросвязи оконечных устройств вторичной сети при помощи коммутационных станций и узлов коммутации на время передачи сообщений [9]. Каналы передачи в коммутируемых сетях являются каналами общего пользования.

            На частично коммутируемых сетях связи предусматривается использование всех систем долговременной и оперативной коммутации. Реально существующие и проектируемые на ближайшую перспективу сети связи относятся к классу частично коммутируемых.

            К некоммутируемым сетям связи относятся вторичные сети, обеспечивающие долговременные (постоянные и временные) соединения оконечных устройств (терминалов) через канал электросвязи с помощью станций и узлов переключений [9]. К некоммутируемым сетям можно отнести опорную сеть связи.

            По оборудованию и условиям размещения сети связи подразделяются на мобильные и стационарные. Под мобильными понимаются сети связи, элементы которых (КЦ, линейные средства связи) размещаются на транспортной базе и могут перемещаться. Одним из распространенных типов мобильных сетей является полевая сеть связи военного назначения. Стационарные сети связи создают на базе узлов связи, размещенных в стационарных сооружениях. В состав стационарных сетей при необходимости могут включаться подвижные элементы, например, при замене на короткое время вышедших из строя стационарных элементов, временном расположении абонентов на подвижных объектах, необходимости временного усиления определенных элементов сети.

            По степени автоматизации сети связи делятся на неавтоматизированные, автоматизированные и автоматические. На неавтоматизированных сетях связи все или подавляющее большинство основных операций выполняется человеком. Автоматизированными называются сети, в которых подавляющее число функций по выполнению определенного объема операций осуществляется техническим устройством. Такие сети оцениваются по степени автоматизации, которая определяется коэффициентом К_a равным отношению объема операций, выполняемых техническими устройствами, к общему объему выполняемых операций:

где n₁, — общий объем операций, выполняемых за определенное время, n₁, — количество операций, выполняемых автоматами. Возможно определение подобного коэффициента по времени :

где t_a, — суммарное время выполнения операций техническими устройствами в течение определенного периода, а t_s, — суммарное время выполнения всех операций.

            Также может использоваться показатель эффекта введения автоматов:

где t_n, — суммарное время выполнения операций за определенный период на неавтоматизированной сети соответственно.

Автоматические сети предусматривают выполнение всех функций по передаче и коммутации сообщений автоматами.

            В настоящее время на сетях общего пользования из-за того, что 60% оборудования КЦ не отвечает требованиям ЕСЭ России, применяются смешанные сети связи.

            По обслуживаемой территории сети связи разделяют на междугородные, международные, местные (сельские, городские), внутрипроизводственные.

            Междугородная сеть связи — сеть связи, обеспечивающая связь между абонентами, находящимися на территории разных субъектов РФ или разных административных районов одного субъекта РФ (кроме районов в составе города) [7].

            Международная сеть связи — совокупность международных станций и соединяющих их каналов, обеспечивающая международной связью абонентов различных национальных сетей [7].

            Местная сеть связи — сеть электросвязи, образуемая в пределах административной или определенной по иному принципу территории, не относящаяся к региональным сетям связи; местные сети подразделяются на сельские и городские [10].

            Сельская сеть связи — сеть связи, обеспечивающая телефонную связь на территории сельских административных районов [10].

            Городская сеть связи — сеть, которая обслуживает потребности большого города. Функция городской сети — работа в качестве базовой магистрали для связи локальных сетей всего города [10].

            Внутрипроизводственные сети — сети связи предприятий, учреждений и организаций, создаваемые для управления внутрипроизводственной деятельностью, которые не имеют выхода на сеть связи общего пользования [10].

            Разделение сетей связи по охвату территории. В зависимости от обслуживаемой территории сети бывают локальными, корпоративными, сельскими, городскими, местными, внутриобластными, междугородными (магистральными для первичной сети), национальными, международными, глобальными (территориальными), смешанными.

            Локальная сеть связи — сеть связи, расположенная в пределах некоторой территории (предприятие, фирма и т. д.) [10].

            Корпоративная сеть связи — сеть связи, объединяющая сети отдельных предприятий (фирм, организаций, акционерных обществ и т. п.) в масштабе как одного, так и нескольких государств [10].                                                                                                                                                                                  

            Внутриобластная, или зоновая сеть связи, — междугородная сеть электросвязи в пределах территории одного или нескольких субъектов Федерации [10].

            Магистральная сеть связи — междугородная сеть электросвязи между центром Российской Федерации и центрами субъектов Федерации, а также между центрами субъектов Федерации [10].

Национальная сеть связи — сеть связи данной страны, обеспечивающая связь между абонентами внутри этой страны и выход на международную сеть [10].

Глобальная (территориальная) сеть связи объединяет сети, расположенные в разных географических областях земного шара [10]. Одним из примеров такой сети может быть Internet.

            Разделение сетей по роду связи (используемой аппаратуре). По роду связи (используемой аппаратуре) сети связи могут быть подразделены на проводные (кабельные, воздушные, волоконно-оптические) и радио сети (радиорелейные, тропосферные, спутниковые, метеорные, ионосферные и т. д.).

            Разделение сетей по выдут связи. В зависимости от вида связи сети связи подразделяют на телефонные, видеотелефонные, телеграфные, факсимильные, передачи данных, сети звукового и телевизионного вещания.

            Разделение сетей по виду передаваемой информации. По виду передаваемой информации различают цифровые, аналоговые и смешанные сети связи. Существование смешанных сетей характерно при переходе от аналоговых сетей связи к цифровым.

            Разделение сетей по степени защищенности. По этому. признаку сети связи делятся на защищенные (сети зашифрованной телефонной, зашифрованной телеграфной связи и т. д.) и незащищенные. В свою очередь в защищенных сетях может использоваться аппаратура гарантированной и временной стойкости.

1.4. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СЕТЕЙ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ И СПОСОБЫ КОММУТАЦИИ, ОСУЩЕСТВЛЯЕМЫЕ В НИХ

1.4.1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СЕТЕЙ ЭЛЕКТРОСВЯЗИ

            Сети связи охватывают огромное число различных технических устройств, расположенных на большой территории. Телефонная сеть, например, объединяет миллионы телефонных аппаратов, десятки тысяч километров линий связи, большое количество каналообразующей и коммутационной аппаратуры и много другого специального оборудования, расположенного на территории всей страны. Сотни тысяч телеграфных аппаратов и множество различного оборудования объединяет телеграфная сеть, также охватывающая всю территорию страны. Значительно меньше масштабы сети передачи данных и факсимильной связи.

            К сетям связи предъявляются определенные требования. Важнейшим из них является требование, предъявляемое пользователями (абонентами): сеть должна обеспечить каждому абоненту возможность в удобное для него время связаться с любым другим абонентом и передать определенное сообщение. Для выполнения этого требования сеть должна быть построена по определенным принципам; принцип — основное, руководящее правило [12].

При построении сети связи могут быть использованы следующие принципы: «каждый с каждым», узловой, радиальный, радиально узловой.

            Принцип построения «каждый с каждым», проиллюстрирован на рис. 1..16, а; сеть строится таким образом, чтобы каждый пункт связи (А) был связан соединительными линиями непосредственно с любым другим пунктом. В пунктах связи сети размещаются оконечные абонентские устройства систем электросвязи, поэтому эти пункты называются оконечными или абонентскими. Соединительные линии играют роль каналов электросвязи между оконечными устройствами. Каждый абонент такой сети имеет постоянную и прямую связь со всеми другими абонентами. Сеть, построенная по принципу «каждый с каждым», надежная, отличается оперативностью и высоким качеством передачи сообщений. Однако на практике она применяется только при небольшом числе абонентов. Объясняется это тем, что с ростом числа абонентских пунктов быстро растут число и суммарная длина соединительных линий связи. В результате сеть становится громоздкой, а ее стоимость непомерно большой.

Сеть связи, построенная по узловому(звездообразному) принципу (рис. 1.16, б), состоит из множества абонентских пунктов (А) и одного узлового пункта (С). На оконечных пункта установлены абонентские устройства, а на узловом — станция коммутации, к которой с помощью АЛ подключается аппаратура каждого оконечного пункта.

            Станция коммутации представляет собой совокупность устройств, выполняющих электрическое соединение абонентских линий. Каждое соединение позволяет создать систему электросвязи для передачи сообщений между соответствующими абонентами.

Радиальный принцип построения сети (рис. 1.1а, в, г) используется при ограниченном числе оконечных пунктов, расположенных на небольшой территории. Если число абонентов велико или они рассредоточены на большой территории, то резко возрастает стоимость линейных сооружений из-за увеличения средней длины абонентских линий.

На рис. 1.16, г приведена схема построения сети, имеющей три станции коммутации

 (С, — С ) к каждой из которых с помощью абонентских линий подключены абонентские аппараты близко расположенных абонентов. Аппарат каждого абонента является оконечным пунктом связи. Каждый аппарат подключен только к одной станции. Все станции между собой соединены соединительными линиями. Структура сети позволяет устанавливать соединения между любыми абонентами через одну или две станции. Подобную структуру имеют, например, сети многих городов, если число абонентов в них не превышает 80...90 тыс. При этом число станций не превышает десяти.

            Телефонные сети крупных городов обычно имеют несколько групп телефонных станций, подобных рассмотренной. Каждая группа станций обслуживает определенный район города, называемый узловым. При этом связь между абонентами разных узловых районов осуществляется через специальные узлы. На рис. 1.16, д приведена одна из возможных схем построения сети с двумя узловыми районами. С целью упрощения рисунка не показаны абонентские пункты сети, связанные со станциями по узловому принципу. Телефонные станции внутри каждого узлового района связаны по принципу каждый с каждым». Связь между узловыми районами происходит через специальные станции — узлы исходящих сообщений (УИС) и узлы входящих сообщений (УВС). Такой принцип построения сетей электросвязи получил название радиально-узловой.

            Сети документальной связи (сети передачи данных, телеграфные, факсимильные) строятся по радиально-узловому принципу с учетом административно-территориального деления страны, обеспечивающему наименьшую стоимость создания сети и высокую эффективность использования сложных и дорогостоящих средств электросвязи.

При построении отдельных сетей можно использовать два основных организационно-технических принципа: образование прямых связей и применение базовой коммутируемой сети.

            Образование прямых связей предполагает построение линий связи непосредственно между пунктами управления, на которых располагаются коммутационные центры (рис. 1.17).

Особенностью принципа построения с использованием базовой коммутируемой сети связи является применение кроме оконечных. Эти транзитные КЦ, осуществляющие оперативную коммутацию каналов, сообщений или (и) пакетов и которые связаны между собой ветвями, образуют базовую коммутируемую сеть.

            Таким образом, сети, предназначенные для передачи индивидуальных сообщений, строятся в основном по радиально-узловому принципу, обеспечивающему наименьшую стоимость создания сети и высокую эффективность использования сложных и дорогостоящих средств электросвязи.

Более подробно вышеизложенные принципы будут рассмотрены в пятой и шестой главах пособия.

1.4.2. СПОСОБЫ КОММУТАЦИИ В СЕТЯХ СВЯЗИ

Классификация способов коммутации

            Коммутация — процесс создания последовательного соединения

функциональных единиц, каналов передачи или каналов связи на то время, которое требуется для транспортировки сигналов.

            При передаче сообщений используются следующие основные способы коммутации: коммутация каналов (КК), коммутация сообщений (КС), коммутация пакетов (КП), гибридная коммутация (ГК) (рис. 1.19).

            Коммутация каналов представляет собой способ коммутации, при котором обеспечивается временное соединение каналов на различных участках сети для образования прямого канала между любой парой абонентских пунктов этой сети.

            Коммутация каналов применяется, как правило, на аналоговых или односкоростных цифровых сетях связи. На таких сетях осуществляется статическое распределение сетевого ресурса или применяется фиксированная полоса пропускания, выделенная для передачи информации. При этом задержка сообщений минимальная и определяется только временем установления соединения.

            Данный способ считается недостаточно гибким и на его основе практически невозможно построить мульти сервисную цифровую сеть с большим набором скоростей.

            В цифровых сетях связи разновидностями классической КК являются способы многоскоростной коммутации каналов (МКК) и быстрой коммутации каналов (БКК).

            Способ многоскоростной коммутации каналов является более динамичным по сравнению с обычной коммутацией каналов. При этом способе канал с минимальной скоростью передачи выбирается как базовый путем объединения базовых каналов формируется набор каналов с различными скоростями, кратными базовой. В качестве базовой могут быть выбраны, например, скорости 8 или 64 кбит/с. Затем в зависимости от требований пользователю представляется тот или иной составной канал.

            При осуществлении быстрой или многоскоростной коммутации оптимально используются возможности полупроводниковых элементов коммутационного устройства, когда в любой момент времени канал обмена будет представлять собой комбинацию нескольких каналов с базовой скоростью.

Особенностью многоскоростной коммутации является предоставление канала по требованию в паузах речевого сигнала. Динамическое распределение полосы пропускания увеличивает эффективность сети связи, но при перегрузках часть речевых отрезков теряется. Кроме того, при реализации БКК и МКК полоса результирующего канала должна быть кратна полосе базового канала.

Коммутация сообщений — способ коммутации, при котором в каждой системе коммутации производится прием сообщения, его накопление и последующая передача в соответствии с адресом.

            При применении способа коммутации сообщений используется накопление сообщения (или его части) в памяти центров коммутации, поэтому сообщение из оконечных пунктов сети связи передается в центр коммутации сообщений (ЦКС), затем в другой центр и т д., пока сообщение не достигнет того, с которым непосредственно связан оконечный пункт сети связи (ОПСС). Подобная поэтапная передача сообщения позволяет получить ряд положительных свойств для сети связи, что приводит к преимущественному использованию способа коммутации сообщений в современных сетях связи. В настоящее время существует несколько вариантов этого способа коммутации. Основными из них являются полный переприем сообщений и коммутация пакетов. В первом случае в центрах коммутации осуществляется переприем полного сообщения, во втором — лишь его части (пакета), что обеспечивает получение ряда преимуществ, которые будут рассмотрены далее.

Коммутация пакетов — способ коммутации, при котором сообщение делится на части определенного формата — пакеты, принимаемые, накапливаемые и передаваемые как самостоятельные сообщения по принципу, принятому для коммутации сообщений.

Каждому пакету присваивается адрес сообщения, а в ряде случаев — признак принадлежности определенному сообщению и его порядковый номер. Если все пакеты одного сообщения передаются по единому пути (по одному виртуальному каналу), то режим коммутации называется виртуальным, если же каждый пакет передается по самостоятельному пути — датаграммным.

Виртуальный канал — это логический канал, проходящий через телекоммуникационную сеть [13].

Способ коммутации пакетов соответствует механизму динамического распределения сетевого ресурса или переменной полосе пропускания, изменяющейся в зависимости от требования абонентов. Однако при этом имеют место случайные задержки информации. Способ КП является наиболее приемлемым для передачи данных, особенно при пачечной структуре трафика. Трафик — совокупность сообщений, передаваемых по сети электросвязи [14].

Следует отметить, что наряду со случайной задержкой информации применение способа КП связано и с другой проблемой — сложностью протоколов.

Одной из разновидностей КП является способ быстрой коммутации пакетов (БКП), использующий более простые протоколы. Также, как и при обычной КП, в сети с БКП организуются виртуальные каналы, и информация в заголовке пакета определяет, какой из каналов должен быть использован для передачи пакета. Для реализации БКП требуется строить сеть связи на волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС), включая и абонентскую сеть, что обеспечивает большие скорости передачи сообщений и малые значения вероятности ошибки. Кроме того, в сетях с БКП проще технически реализовать узлы коммутации по сравнению с сетями с КП.

Ниже рассмотрим подробнее процедуры передачи сообщения между оконечными пунктами отправителя ОПСС_o и получателя OПCC_п при применении различных способов коммутации на примере использования фрагмента сети связи, содержащей Е последовательно соединенных каналами связи центров коммутации ЦК₁, ЦК₂, ..., ЦК_z (рис. 1.20).

                                Коммутация каналов. Сущность способа коммутации каналов (КК) при передаче сообщений заключается в следующем. В момент

времени t₁(рис. 1.21) от ОПСС отправителя сообщения в центр коммутации ЦК, поступает заявка на соединение с оконечным пунктом сети связи (ОПСС) получателя. В течение времени установления соединения t_ус, производится установление соединения в ЦК, затем передается сигнал С, в ЦК, где также устанавливается соединение. Процедура продолжается до тех пор, пока не будут произведены все соединения в центрах коммутации (момент времени t_z), и тогда отправителю посылается сигнал готовности, после получения которого от ОПСС отправителя передается сообщение, которое для цифровых сетей связи измеряется в L бит. Время передачи сообщения t_p = L/R_b, где R_b — эффективная скорость передачи битов сообщений по цифровому каналу.

На рис. 1.21 через t_p обозначено время распространения сигнала на участке между двумя ЦК.

Процесс передачи заканчивается после приема сообщения получателем в момент времени t_k. Следует заметить, что в общем случае время установления соединения в центрах коммутации является величиной случайной для разных центров. Для упрощения оценок считаем, что t_yc, является средним временем установления соединений.

            Общее время доведения сообщения в соответствии с показанной на рис. 1.21 временной диаграммой определяется выражением

            Из этого выражения следует, что коэффициент использования участка канала R_испi. зависит от времени установления t_ус, и различен для разных участков канала. Наиболее эффективно используется последний участок канала (z — 1). Причиной низкой эффективности первых участков является необходимость создания прямого тракта до начала передачи сообщения. При отсутствии свободного канала на каком-либо участке установленные ранее соединения разрушаются, а потери времени на подобные не обслуженные вызовы являются основной причиной неэффективного использования пропуск- ной способности каналов в сетях коммутации каналов.

            Метод КК широко применяется в телефонных сетях, представляющих пользователям диалоговую связь. Частным случаем КК является кроссовая коммутация, которой соответствуют долговременные соединения в ЦК, позволяющие организовать прямой (некоммутируемый) канал между ОП.

            Цифровые сети КК делятся на синхронные и асинхронные. В синхронных цифровых сетях КК передающее и коммутационное оборудование синхронизируются от единого тактового генератора, что позволяет упростить и интегрировать процессы передачи и распределения информации в системах с временным уплотнением, но требует создания сложной системы сетевой синхронизации.

            В асинхронных цифровых сетях КК передающее и коммутационное оборудование независимо синхронизируются автономными тактовыми генераторами, что обеспечивает определенную гибкость в выборе аппаратуры и согласование с существующими сетями передачи данных (например, телеграфными). Однако при этом появляются трудности, связанные с обеспечением помехоустойчивости передачи.

            Коммутация сообщений. При использовании этого способа сообщение отправителя передается в ЦК,, где запоминается и передается в следующий ЦК. Процедура повторяется до тех пор, пока сообщение не достигнет ЦК„откуда через канал связи оно поступает в ОПСС получателя (рис. 1.22).

            Началом цикла передачи является момент времени t_n начиная с которого аппаратурой ОПСС отправителя производится обработка сообщения (анализ адреса и категории срочности, выбор исходящего тракта и т. д.). Время обработки является величиной случайной и зависит от состояния каналов связи, загрузки OПCC и центров коммутации и других факторов. Для получения приближенных оценок этого времени используется среднее время обработки сообщения в ОПСС или центре коммутации t, . После предоставления исходящего тракта передаются заголовок и данные, содержащиеся в сообщении. Процесс передачи от ОПСС к ЦК, заканчивается в момент t«. При передаче от ЦК, к ЦК и так далее все полностью повторяется. Последний этап содержит передачу сообщения из ЦК, в ОПСС получателя.

            Таким образом, характерной особенностью способа коммутации сообщений при полном переприеме сообщений в центрах коммутации является поочередное занятие каналов и центров коммутации на маршруте передачи сообщения. Форматы сообщений определяются оптимизацией процедур обмена сообщениями между отправителями и получателями. Вследствие этого объем сообщений, как правило, не оптимален с точки зрения процедур обмена в сети связи. Полный переприем сообщений, имеющих в большинстве случаев длину, во много раз превышающую оптимальную, приводит длительным задержкам в центрах коммутации и необходимости иметь там запоминающие устройства весьма большой емкости. Эти обстоятельства и обусловили широкое применение способа коммутации пакетов.

Коммутация пакетов. При этом способе обмен сообщениями между отправителями и получателями реализуется при использовании двух протоколов (правил). Протокол обмена сообщениями является протоколом высшего уровня и обеспечивает непосредственный обмен сообщениями заданного формата между двумя ОПСС. Протоколом более низкого уровня является протокол пакетной коммутации, обеспечивающий доставку пакетов из места разделения сообщений на пакеты в место их формирования. Оптимальный выбор объема пакета позволяет уменьшить емкость запоминающих устройств и время задержки пакетов в центрах коммутации.

            Доставка сообщения от отправителя к получателю в сети связи с пакетной коммутацией включает в себя процедуры получения сообщения от отправителя, образования пакетов, передачи пакетов по сети связи, формирования сообщения и выдачи его получателю.

            Процедура образования пакетов из сообщения и обратная процедура формирования сообщения из принимаемых пакетов могут осуществляться либо ОПСС отправителя и получателя сообщений, либо в центрах коммутации, с которыми непосредственно связаны ОПСС отправителя и получателя сообщений.

            В первом случае базовая сеть связи реализует лишь протокол пакетной коммутации, а протокол обмена сообщениями осуществляется средствами ОПСС, обмен которых с центрами коммутации также производится пакетами. В частном случае, когда отправитель осуществляет ввод сообщений в форме пакетов, можно обходиться и без автоматизации процедур преобразования сообщений в пакеты.

            Во втором случае ОП сети связи выдает в ЦК сообщения, т. е. обмен между ОПСС и ЦК реализуется по протоколу обмена сообщениями, в рамках которого, естественно, может быть применено и разбиение на пакеты. Затем реализуется процедура передачи пакетов в ЦК получателя, в котором осуществляется сборка сообщения, выдаваемого в ОПСС получателя.

            Использование пакетной коммутации позволяет реализовать различные протоколы управления процессом доставки пакета от отправителя до получателя. Наибольшее распространение получили датаграммный способ и способ с установлением виртуального канала.

            При датаграммном способе каждый пакет при перемещении в сети рассматривается как самостоятельный блок, доставляемый получателю (точнее, в элемент сети связи, реализующий процедуру формирования сообщений из принимаемых пакетов) в соответствии с приписанным ему адресом. Процесс передачи пакетов по одному маршруту датаграммным способом показан на рис. 1.23.

            Предполагается, что процедуры формирования пакетов (сообщений) реализуются в ОПСС. Первый пакет сообщений передается точно таким же образом, как и при коммутации сообщений. При передаче второго пакета на участке ОПСС — ЦК, направления передачи сообщений одновременно передается пакет на участке ЦК, — ЦК . С момента передачи пакета с номером z ведется одновременная передача пакетов на всех участках направления передачи сообщений между ОПСС отправителя и ОПСС получателя сообщений. Способ коммутации пакетов приближается по характеристикам к способу коммутации каналов, сохраняя все преимущества коммутации сообщений.

можно формировать из нескольких сообщений, что целесообразно при очень малых их длинах.

            Датаграммный способ относительно прост в реализации и обеспечивает минимизацию времени доведения сообщения получателю.

К недостаткам этого способа следует отнести:

            1. Возможность нарушения порядка прибытия в ОП пользователя пакетов длинного сообщения ввиду независимости их маршрутов в сети, что требует сортировки пакетов в нужной последовательности.

            2. Возможность различных задержек пакетов из-за отсутствия предварительного резервирования памяти в ОП пользователя для много пакетных сообщений, что приводит к перегрузке памяти ЦК пользователя.

            3. Наличие тупиковых ситуаций снижает степень использования технологических ресурсов. В сети КП с датаграммным режимом такие ситуации возникают при условии, что поток поступающих в сеть пакетов превышает допустимый. Перегрузка сети приводит к циркуляции датаграмм, которые не могут быть переданы в ОП пользователя ввиду отсутствия свободной памяти в ЦК пользователя.

            Для исключения указанных недостатков в сети КП применяются различные методы резервирования ресурсов (прежде всего памяти ОП пользователя или ЦК). Так, если датаграммный способ дополнить виртуальным вызовом, когда перед передачей основной информации ОП источника посылает служебный пакет в ОП получателя, запрашивающий ресурсы (требуемый объем памяти ОП получателя), на который получает ответный пакет готовности, то это значительно уменьшает вероятность тупиковых ситуаций из-за перегрузки ЦК пользователя. При получении отказа ОП источника не передает сообщения и тем самым не загружает сеть.

            Фиксируя дополнительно путь передачи пакетов в маршрутных таблицах техузлов, через которые прошел служебный пакет вызова, можно значительно уменьшить вероятность нарушения порядка следования пакетов длинного сообщения. Эта разновидность КП называется коммутацией пакетов с установлением виртуального канала. При этом исключается циркуляция пакетов («петли») и появляется возможность контроля перегрузок за счет установления допустимого числа виртуальных каналов в сети. Заголовки пакетов (кроме первого) при использовании способа с установлением виртуального канала могут иметь меньший объем, чем при способе датаграмм, так как вместо полного адрес

а достаточно иметь лишь сведения о принадлежности к заданному маршруту, т.е. сведения об условном номере виртуального канала.

            Гибридная коммутация. Сочетание достоинств способов КК и КП обеспечивается в гибридной коммутации, комбинирующей коммутацию каналов для сообщений, передаваемых в реальном масштабе времени (речь, сигналы телеуправления и телеметрии, факсимильные сообщения и т. д.), и коммутацию пакетов для данных. Распределение смешанного трафика определяется в этом случае при поступлении вызова ОП источника в сеть, в которой при этом часть пропускной способности магистральных каналов отводится под график, передаваемый в режиме КК, а другая часть — под трафик, передаваемый в режиме КП. Платой за широкие возможности способа ГК является увеличение аппаратно-программных затрат на реализацию L. Из рис. 1.24 видно, что для коротких сообщений

(L < L₁) нет различий между способами полного переприема сообщений (ППС) и коммутации пакетов.

            Сравнение способов коммутации. На рис. 1.24, а показан характер зависимостей времени доведения сообщения от его объема.

Для сообщений длиной L₁ < L < L₂ наименьшее время доведения обеспечивает способ коммутации пакетов, а наибольшее — способ коммутации каналов. При больших длинах сообщений (L < L ) наилучшие результаты по времени доведения можно получить, используя способ коммутации каналов. Конкретные значения L_i L и 4 определяются большим числом факторов, задаваемых характеристиками, входящими в качестве аргументов в формулы (1.14), (1.16) и (1.19).

            На рис. 1.24, б показана зависимость коэффициентов использования каналов для рассмотренных способов коммутации, причем для способа коммутации каналов эти коэффициенты различны для разных участков тракта. На рисунке показаны графики этих коэффициентов для первого (КК₁,), второго (КК₂ ) и третьего (КК₃ ) участков. Для способа коммутации пакетов коэффициент использования каналов не зависит от длины сообщения, так как структура пакета в любых случаях включает одинаковое количество служебных символов в составе заголовка пакета.

            Достоинствами способа коммутации сообщений, обусловливающими его широкое применение в перспективных сетях связи, являются:

            1. Более эффективное использование пропускной способности каналов связи. В настоящее время при применении способа коммутации каналов пропускная способность может использоваться лишь на 20...30%, а при применении метода коммутации сообщений — на 80...85 % и более. Это объясняется возможностью поэтапной передачи, не связанной с ожиданием установления соединения по всему тракту и, следовательно, отсутствием потерь времени на не обслуженные вызовы. Кроме того, коммутация сообщений обеспечивает эффективное использование одного канала в интересах различных направлений передачи сообщений. Особенно эффективно это осуществляется при пакетной коммутации. Эффект статистического управления в канале пакетами различных информационных направлений позволяет считать перспективным способ пакетной коммутации при передаче речевых и факсимильных сообщений в цифровой форме в цифровых сетях с интеграцией обслуживания.

            2. Простота реализации многоадресной и циркулярной передачи сообщений.

            3. Возможность более простой, чем при коммутации каналов, реализации приоритетной передачи сообщений высоких категорий срочности. Накопление сообщений в центрах коммутации позволяет организовать на маршрутах «обгон» сообщений низких категорий срочности сообщениями более высоких категорий.

            4. Обеспечение обмена сообщениями между отправителями и получателями, использующими разнотипную аппаратуру ввода и вывода сообщений, в частности работающую с различными скоростями передачи сообщений.

            5. Возможность передачи сообщений по участкам направлений передачи сообщений, имеющим каналы передачи сообщений с различными скоростями передачи.

            Наиболее универсальным способом следует считать пакетную коммутацию, позволяющую осуществлять не только направленную передачу сообщений, но и диалоговый обмен.

            Достоинством коммутации каналов является малое время доведения сообщения по уже образованному каналу, а также низкие требования к структуре сообщений и их форматам. Вследствие этого способ коммутации каналов также может использоваться в цифровых сетях с интеграцией обслуживания и в сетях передачи данных часто со способом коммутации пакетов. При обеспечении обмена сообщениями в конкретной ситуации может выбираться наиболее целесообразный способ коммутации. Например, при передаче больших объемов информации, как правило, эффективнее способ коммутации каналов, а для передачи короткого сигнала — способ пакетной коммутации.

1.5. СТРУКТУРНО-ТОПОЛОГИЧЕСКОЕ ПОСТРОЕНИЕ СЕТЕЙ СВЯЗИ

            Структурно-топологическое построение сетей связи предполагает моделирование сети, ее представление количественными показателями через соответствующие параметры, а также описание состава, конфигурации, взаимосвязи отдельных элементов и принципов установления связи. Многогранность такого описания сети связи обусловливает наличие целого ряда характеристик, которые можно объединить в три основные группы: характеристики функционирования, экономические и морфологические.

            Характеристики функционирования сетей связи раскрывают протекающие в них процессы передачи информации, позволяют определить основные вероятностно-временные параметры сетей.

            Экономические характеристики показывают затраты, необходимые на строительство и эксплуатационное обслуживание сетей связи, а также доход, который может быть получен от эксплуатации сетей.

Морфологические (структурно-топологические) характеристики дают описание состава и построения сетей связи, характера взаимосвязи между коммутационными центрами различных типов, а также способов распределения каналов по ветвям и направлениям связи. В эту группу характеристик входят структура, топология и стереология.

            Необходимо отметить, что под структурой в общем случае понимается модель, необходимая для описания процессов или объектов путем выделения в них элементов и определения существенных устойчивых связей между ними. При этом структуры могут быть организационными, техническими, функциональными, организационно штатными и т. д. В рамках рассмотрения основ построения телекоммуникационных систем и сетей под структурой сети связи будем понимать характеристику, описывающую взаимосвязь входящих в нее коммутационных центров независимо от их фактического расположения и трасс прохождения линий связи на местности.

            Структура сети служит для отображения потенциальных возможностей сети по распределению информации между ее отдельными пунктами. С этой целью на структурах сетей показываются КЦ, на которых может осуществляться распределение потоков информации, и ветви сети, раскрывающие схему связи между этими КЦ.

            Многочисленность факторов, определяющих специфику построения различных сетей связи, ведет к многообразию их структур.

Основой для построения сети связи любой сколь угодно сложной структуры являются так называемые элементарные структуры [15]. Принято выделять элементарные структуры двух типов:

            — радиальная элементарная структура (рис. 1.25); — кольцевая (петлевая, шлейфовая) элементарная структура (рис. 1.26).

            — количеством элементов (узлов) и количеством связывающих ветвей (линий) М:

            — для радиальной элементарной структуры И > 2, М = N — 1; — для кольцевой элементарной структуры N > 3, М = И.

            Признаком отличия структур одного типа может служить количество входящих в них узлов И. При этом говорят: элементная элементарная структура радиального типа; элементная элементарная структура кольцевого типа.

            Другим определяющим параметром элементарной структуры является число ветвей, инцидентных (принадлежащих) каждому. узлу. Так, для радиальной элементарной структуры характерным является

наличие единственного узла, которому инцидентны N — 1 ветви, остальным же узлам этой элементарной структуры инцидентна лишь одна ветвь. Для кольцевой элементарной структуры характерно то, что любому узлу всегда инцидентны две ветви.

            На базе элементарных структур строятся более сложные. При использовании только радиальных элементарных структур могут быть созданы например древовидные (рис. 1.27). Для сетей связи древовидной структуры сохраняется то же соотношение основных пара- метров, что и для радиальной элементарной структуры. Между каждой парой узлов такой структуры существует только один путь для установления связи. Другими словами, древовидная сеть — сеть односвязная. Частными случаями ее являются узловая сеть (рис. 1.27, а) с иерархическим построением и соподчинением узлов, звездообразная (рис. 1.27, б) с одним узлом и линейная сеть (рис. 1.27, в).

            В узловой сети с иерархическим построением и соподчинением ее узлов имеется узел высшего класса, называемый корневым, с которым соединяются узлы первого класса (уровня). К узлам первого класса подсоединяются узлы второго, третьего (и т. д.) класса.

Кольцевая элементарная структура является базой для построения сложных структур, которые в общем случае можно разделить на полно связные структуры (рис. 1.28, а) и неполно связные структуры (рис. 1.28, б — е).

Сеть полно связной структуры — сеть, соединение узлов в которой производится по принципу каждый с каждым» и которая характеризуется следующим соотношением основных параметров:

где М — количество ветвей, И — количество коммутационных центров.

где М — количество ветвей, И — количество коммутационных центров.

Особенностью полно связной сети является то, что между каждой парой узлов этой сети существует (N — 1) независимых путей для установления связи.

            Для не полно связных структур соотношение основных параметров задается двойным неравенством:

где Е — число кольцевых элементарных структур. Варианты сетей связи смежно-кольцевой структуры представлены на рис. 1.28, б — е.

            Различают смежно-кольцевые структуры, образованные одинаковыми (рис. 1.28, б, в, г, е) и разными (рис. 1.28, д) кольцевыми элементарными структурами. Иногда структуры получают специальные названия: «Алмаз» или «Кристалл», «Соты», Решетка», «Двойная решетка» (рис. 1.28, б, в, г, е соответственно).

            Структуры сетей связи, представленные на рис. 1.28, в, г, е, относят к разряду регулярных структур, у которых наблюдается равномерное распределение узлов по территории и однотипное соединение соседних узлов. У этих структур каждый узел (кроме расположенных по краям сети) имеет ранг (степень), который определяется количеством ветвей, соединяющих его с другими узлами. Для структур, показанных на рис. 1. 28, в, г, е, узлы имеют ранги r ={3, 4, 6} соответственно. При большом числе узлов в сетях с регулярными структурами число ветвей определяется формулой

На сети с узлами разного ранга число ветвей определяется следующим выражением:

где И,. — число узлов ранга r, Сложные комбинированные структуры сетей связи могут быть образованы совокупностью элементарных структур как радиального, так и кольцевого типа.     Телекоммуникационная сеть, как правило, содержит области с различными структурами. Чаще других создаются сети узловой и радиально-узловой структуры (рис. 1.29, а и б). Выбор той или иной структуры сети определяется прежде всего экономическими показателями и требованиями к надежности, живучести, пропускной способности.

            Важным специфическим структурным свойством сетей связи является возможность представления одной и той же сети связи различными изоморфными графами без петель [16]. Две структуры принято

называть изоморфными, если между множествами узлов (вершин) существует взаимнооднозначное соответствие, сохраняющее смежность.

            Граф сети связи G = (V, U) представляет собой набор точек, называемых вершинами V= {v₁,v₂,…,v_n}, которые соединены между собой линиями, называемыми ветвями U = {и_ij}. Это позволяет изображать любую структуру в виде, удобном для дальнейшей работы с ней (рис. 1.30, а, б).

            В теории графов различают ориентированные и неориентированные, взвешенные и помеченные графы [16].

            В ориентированных графах сообщения в ветвях (линиях и каналах связи) передаются только в одном направлении (рис. 1.31, а). В неориентированных графах сообщения могут передаваться в обоих направлениях (рис. 1.31, б).

Взвешенным называется граф, в котором вершинам и ветвям соответствуют некоторые числа, называемые весами. Весом может быть пропускная способность (С), надежность, живучесть и т. д. элемента

сети связи. На рис. 1.31, в представлен взвешенный граф, где в качестве веса выбрана пропускная способность направления связи, выраженная в количестве каналов.

            Граф, в котором вершины пронумерованы, называется помеченным или размеченным. Иногда при работе на вычислительных машинах возникает необходимость проанализировать сеть связи, не прибегая к изображению ее в виде графа. Одной из форм математического представления сети связи (графа) является алгебраическое задание ее с помощью ряда структурных матриц.

            Пусть задан граф G = (V, U), вершины которого пронумерованы в произвольном порядке. Структурной матрицей смежности (соседства) [А] = [ а_ij] помеченного графа G =(V,U) с n верши нами называется матрица размера пхп, в которой а_ij. = 1, если вершина v₁ связана с вершиной v_j и а_ij = 0 в противном случае. Таким образом, существует взаимно однозначное соответствие между помеченными графами с и вершинами и матрицами размера пхп с нулями по диагонали. Для помеченного графа G, показанного на рис. 1.31, б, матрица смежности имеет следующий вид:

Легко заметить, что суммы элементов матрицы[А]по строкам (столбцам) равны степеням (рангам) вершин графа G.

            Степенью вершины графа G, называется количество входящих и исходящих из него ветвей.

Другой матрицей, связанной с графом G, в котором пронумерованы (помечены) вершины и ребра, является матрица инциденций ([B]=b_ij]).Такая матрица характеризует взаимосвязь вершин и ребер, что важно при рассмотрении вопросов связности моделируемой сети связи. Матрицей инциденций помеченного графа G= (V, 0) с и вершинами и т ребрами называется матрица размера mxn, в которой b_ij. = 1, если вершина v_i,.инцидентна ребру и, и b_i = 0 в противном случае.

            Для помеченного графа G (рис. 1.32) матрица инциденций В имеет следующий вид:

Для ориентированного графа 6 матрица инциденций [В] определяется следующим образом:

            Поскольку каждая дуга инцидентна двум различным вершинам (за исключением того случая, когда дуга образует петлю), то каждый столбец матрицы инциденций содержит один элемент, равный 1, и один, равный — 1, либо все элементы столбца равны нулю.

Матрица мощности ветвей [М] (рис. 1.31, в), элементами которой являются веса а_ij принимающие значения, численно равные количеству стандартных каналов между ЦК,. и ЦК, имеет вид

            Не останавливаясь подробно на аппарате преобразования матриц, отметим только некоторые особенности, на которые следует обратить внимание при синтезе и анализе сетей связи.

            Произведение двух квадратных матриц [[А[[=[[а_ij] и [[В]=[[Ь_ij порядка Nприводит к квадратной матрице [C] =[A][.]=[B] того же порядка, элементы которой и,, равны сумме позленных произведений строки матрицы [А] и  его столбца матрицы [[В]]:

Путь из узла а_s в узел а_t — это упорядоченная последовательность ребер, начинающаяся в а,, заканчивающаяся в а, и не проходящая дважды через один и тот же узел, причем конец каждого предыдущего ребра совпадает в промежуточном (для данного пути) узле с началом последующего ребра. Путь, намеченный (выбранный) для доставки тех или иных сообщений между заданной парой пунктов (узлов), будем называть маршрутом, а процесс установления таких маршрутов (путей) — маршрутизацией.

            При возведении структурной матрицы в g-ю степень получается матрица, каждый элемент которой характеризует путь от узла а_i к узлу а, который включает ребра, число которых не превышает ранг данной матрицы:

            Очевидно, что имеется некоторое конечное число, превышение которого не приведет к изменению матрицы, которая в таком случае становится характеристической:

Матрица [М]называется характеристической, или матрицей, описывающей все возможные в сети пути между узлами. Особенностью математического описания сетей является то, что максимальный ранг не может превышать (И — 1), и, следовательно, справедливо неравенство

g<N — 1.   (1.31)

            Под рангом пути r(т_st) (иногда этот показатель называют длиной пути) понимается число ребер, образующих этот путь. Минимальный ранг пути равен 1, максимальный —

(N — 1), когда путь проходит через все узлы.

            Сеть связи можно описать также с помощью ее топологии. Топология сети связи дает представление о взаимном расположении и соединениях КЦ этой сети, группировке каналов по ветвям и направлениям связи, а также о маршрутах и особенностях прохождения трасс линий связи на местности. Топология отображает КЦ, выполняющие все виды оперативной и долговременной коммутации. В зависимости от полноты данных о сети связи и формах представления этой сети различают общую, полную и частную топологии.

            Общая топология дает представление о взаимном расположении всех типов КЦ, способах их соединения линиями связи, а также о характере распределения образуемых на этих линиях каналов и трактов по ветвям и направлениям связи. Пример общей топологии сети, имеющей структуру, приведенную на рис. 1.33, а, дан на рис. 1.33, б.

Кроме КЦ,...КЦ, выполняющих оперативную коммутацию, на схеме общей топологии показаны КЦ, и KLI , обеспечивающие долговременное соединение каналов. Здесь же можно видеть, как группируются каналы. Совокупность каналов различных направлений связи образует пучки ветви между смежными узлами (например, исходящие из первого КЦ каналы образуют пучок т,,). При этом, конкретизируются трассы каналов направлений связи (например, каналы между первым и вторым КЦ могут быть разнесены по различным

Общая топология выявляет детали построения первичных и вторичных сетей, позволяет решать задачи распределения каналов между КЦ, а в случае необходимости принимать решение на маневрирование этими каналами.

            Схема полной топологии выполняется, как правило, на карте и обеспечивает привязку элементов сети связи (КЦ, линий связи) к местности. На ней указываются особенности прохождения трасс линий связи, места расположения станций, ретрансляционных пунктов (усилительных пунктов) и т. д. Кроме того, на схеме полной топологии могут указываться объекты, не являющиеся элементами сети связи, но имеющие значение при ее эксплуатации: пункты снабжения, резерв средств связи, ремонтные органы и др.

            Для решения отдельных задач по строительству и эксплуатации сети связи могут использоваться полные топологии отдельных участков данной сети, называемые частными топологиями этих участков. Частная топология составляется по тем же правилам, что и полная. При этом возникает дополнительная возможность детализации отдельных сведений, необходимых конкретному исполнителю при решении поставленной перед ним задачи. К частным топологиям, например, относятся топологии абонентских сетей, развертываемых

от оконечных КЦ на территории размещения пунктов управления или в населенных пунктах.

В ряде случаев часть элементов сети связи может размещаться на летно-подъемных средствах. Объемное расположение и взаимосвязь элементов сети связи, а при необходимости и характер их перемещения можно описать с помощью стереологии этой сети. Формами представления стереологии могут служить изометрическая схема, схемы проекций сети на горизонтальную и вертикальную плоскости или описание координат размещения элементов сети и их взаимосвязи. Таким образом, стереология дает представление о пространственном расположении и перемещении элементов сетей связи.

Рассмотренные характеристики дают общее представление о сети связи, которая имеет ряд отличительных свойств.

Свойство сети связи — существенная черта данной сети, обусловливающая ее отличие от других сетей связи или сходство с ними и проявляющаяся при ее функционировании. Основными свойствами сети связи являются ее связность, структурная живучесть, пропускная способность, надежность и др.

            Сеть связи называется связной, если в ней может быть найден хотя бы один прямой или транзитный путь для установления связи между каждой парой узлов связи. Сеть называется h-связной, если любые два узла связаны независимыми путями, число которых не менее h. Например, сеть, представленная на рис. 1.34, является двусвязной (h = 2), так как имеет два независимых пути от первого узла к третьему: а — b, с — d.

Понятие связности чаще относится не ко всей сети связи, а к заданным узлам а, и а, (h- связность), а также к множеству путей, обладающих заданным свойством. При этом можно вводить ограничение по рангу. Например, для сети, изображенной.

            От связности зависит такая характеристика сети связи, как структурная живучесть. Под структурной живучестью понимается свойство сети сохранять связность при массовых разрушениях элементов или отдельных частей [17, 18]. Количественным показателем структурной живучести является вероятность наличия хотя бы одного пути установления соединения для передачи по нему сообщений после воздействия на сеть поражающих факторов.

Таким образом, из определения следует, что связность является одним из важнейших свойств сетей связи и может быть использована как показатель структурной живучести. Например, если сеть представлена в виде графа, показанного на рис. 1.27, б, естественно заключение, что такая сеть обладает низкой живучестью, так как удаление единственного корневого узла прерывает все связи и делает сеть несвязной.

Пропускная способность сети связи — возможность сети связи передавать заданные потоки сообщений в единицу времени.

            В первичных сетях связи, функционирование которых не зависит от характера циркулирующих в них потоков сообщений, пропускная способность элементов сети (направлений или ветвей связи) определяется числом каналов в этих элементах. В цифровых первичных сетях теоретическая (шенноновская) пропускная способность равна максимальной скорости передачи в канале.

            В отличие от первичных во вторичных сетях связи оценка пропускной способности числом каналов или скоростью передачи будет неточной, так как не учитывает возможность выполнения требований по качеству обслуживания заявок.

            Современные коммутируемые сети работают, как правило, с потерями. Если в КЦ не может быть найден свободный соединительный путь (внутренняя блокировка) или отсутствует свободный канальный ресурс на ветвях связи (внешняя блокировка), то заявка получает отказ в обслуживании и теряется. Очевидно, что чем больше потери, тем меньшая нагрузка будет у элемента сети. Исходя из этого пропускной способностью вторичной сети связи называется величина, численно равная суммарной интенсивности нагрузки по всем направлениям связи этой сети при обеспечении показателей качества обслуживания, заданных по каждому направлению связи. В соответствии с этим определением можно записать следующее выражение для пропускной способности сети связи

где У_i(р_i) — пропускная способность i-го направления связи при показателе качества обслуживания, равном р_i / — количество направлений связи в сети.

Надежность сети связи — способность сети связи обеспечивать связь, сохраняя во времени значения эксплуатационных показателей в пределах, соответствующих условиям эксплуатации, технического обслуживания, восстановления и ремонта [17, 18]. Надежность сети связи определяет ее возможность обеспечивать передачу информации с заданными вероятностно-временными показателями с учетом влияния технических отказов и восстановлений элементов сети.

            Вышеперечисленные свойства сети рассматривались в предположении идеально надежных сетей связи. Однако элементы сети, как и любого технического устройства, подвержены техническим отказам. Вследствие этого вероятность получения источником информации отказа в установлении соединения и передаче сообщения зависит как от технического состояния элементов сети (систем передачи, КЦ и т. д.), так и от их занятости обслуживанием других заявок и передачей других сообщений. За комплексный показатель надежности функционирования сети связи (направления, пути, ветви связи) принимают вероятность Р₀(t) безотказного обслуживания поступающих в сеть (направления, пути, ветви связи) заявок. Числовые значения этого показателя вычисляются по формуле [17]

Р₀(t) = Р_p y                                                                                                                              (1.31)

где Р_p — вероятность безотказной работы элементов оцениваемой сети связи; у — количество заявок на обслуживание в сети (направлении, пути, ветви связи) с абсолютно надежными элементами. В зависимости от способа обслуживания заявок величина у определяется как

Немаловажными динамическими характеристиками, необходимыми для описания процессов, происходящих в синтезируемых сетях связи, являются их функции.

функция сети связи характеризует проявление ее свойств и представляет собой способ действия сети связи при взаимодействии с внешней средой [19]. Создание сетей начинают с рассмотрения (анализа) функций, которые они должны выполнять, что позволит различить их уже на начальном этапе. Например, функции передачи, коммутации информации и т. д. присущи первичным и вторичным сетям связи, а совокупность функций управления, исследования, контроля может реализовываться системой управления связью, являющейся внешней по отношению к этим сетям.

1.6. ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И СЕТИ, ИХ ФУНКЦИИ

            В современных условиях резко возрастает роль информации как в производстве, ориентированном на максимальную автоматизацию, так и в областях, использующих еще традиционные информационные средства и все шире переходящие на современные средства автоматизации.

            Появлению вычислительной техники, в том числе и ЭВМ, способствовал ряд социальных и экономических предпосылок, в частности информационный скачок, наблюдаемый с середины 70-х гг. ХХ века. Человечество обладает сегодня таким объемом информации в каждой области знаний, что люди уже не в состоянии освоить ее и держать в памяти. Потоки вновь создаваемой информации также столь велики, что человек не успевает даже знакомиться со всеми новыми материалами. В результате появились различные специальные устройства и аппаратура для сбора, накопления и обработки информации.   Наиболее мощными и современными из таких средств являются ЭВМ, которые вошли в жизнь как один из важнейших элементов научно-технического прогресса. Таким образом, и средства электросвязи и ЭВМ имеют дело с информацией. Первые предназначены для передачи ее на расстояние, а вторые обеспечивают сбор, накопление и обработку информации.

            Теоретические и практические основы построения ЭВМ по существу подготовила электросвязь. Первые ЭВМ были созданы на элементах, заимствованных у средств связи (полупроводники, микро- схемы и т. д.), при их разработке широко использовались теоретические положения и устройства коммутационной техники.

            Современные ЭВМ, как и средства связи, при укрупнении дают наибольший эффект. Чем они крупнее, тем большими возможностями они обладают и тем более экономичны в эксплуатации, но вместе с тем они и дороже. Поэтому отдельным предприятиям и организациям стало не под силу и невыгодно иметь собственные машины. Мощные ЭВМ стали размещаться в специальных центрах и использоваться коллективно. Для таких ЭВМ необходима сеть связи, которая делает их доступными для сотен тысяч и миллионов потребителей (например сеть Internet). Сеть связи, соединяющая между собой вычислительные центры, превращает их как бы в мощную единую ЭВМ, распределенную в пространстве.

            Развитие средств связи и ЭВМ неразрывно связано с необходимостью обеспечения высокого уровня информированности общества во всех областях экономической, политической и социальной деятельности, т. е. его информатизации.

            Под информатизацией понимается организационный социально- экономический процесс создания оптимальных условий для удовлетворения информационных потребностей и реализации прав граждан, органов государственной власти, органов местного самоуправления, общественных объединений на основе формирования и использования информационных ресурсов [20].

            Информатизация базируется на национальные информационные ресурсы и обеспечивается посредством информационных систем(ИС) и телекоммуникационных сетей (рис. 1.35) Информационные ресурсы — документы и массивы документов в разных формах и видах(библиотеки, архивы, фонды, базы данных, базы знаний и другие формы организации хранения и поиска информации), содержащие информацию по всем направлениям жизнедеятельности общества.

Информационные системы могут быть реализованы на базе информационных технологий с использованием неавтоматизированных методов информационного воздействия или автоматизированных методов с использованием средств вычислительной техники, информатики и связи [21].

            Информационная технология (ИТ) — процесс, использующий совокупность средств и методов сбора, обработки и передачи данных (первичной информации нового качества) о состоянии объекта, процесса или явления (информационного продукта).

Цель ИТ — производство информации для ее анализа человеком и принятия на его основе решения по выполнению какого-либо действия. Более детально информационные технологии описаны в [22].

            Составными частями ИС являются пользователи информации, информационные ресурсы, носители информации, средства сбора, хранения и обработки информации, средства передачи информации (рис. 1.36).

            Пользователь информации (ПИ) — субъект, обращающийся к ИС за получением необходимой ему информации и пользующийся ею. Информация, выдаваемая в информационной системе потребителю, является одним из ресурсов, позволяющих повысить эффективность как отдельного производства, так и министерств и различных ведомств.        Вследствие этого важнейшим аспектом взаимоотношений потребителя с другими элементами информационной системы является эффективное использование информационных ресурсов. Информационные ресурсы подразделяются по территории, на которой они предоставляются пользователям информации, на национальные, государственные, федеральные, а по доступности к информационным ресурсам — на внутреннего и коллективного пользования.

            Национальный информационный ресурс — это ресурс, находящийся в собственности, распоряжении, владении или пользовании всех юридических и физических лиц, находящихся под юрисдикцией Российской Федерации.

Государственный информационный ресурс находится в ведении федеральных органов государственной власти, органов власти субъектов РФ и в их совместном ведении.

Федеральный информационный ресурс — государственный ресурс, находящийся в распоряжении федерального органа власти. В зависимости от того, в распоряжении каких органов находится информационный ресурс, выделяют информационный ресурс субъекта РФ и муниципальный информационный ресурс.

Информационный ресурс внутреннего пользования — это ресурс, который используется его собственником или распорядителем исключительно для организации и осуществления своей деятельности, не затрагивающей интересы других лиц.

Информационный ресурс коллективного пользования — это ресурс, находящийся в распоряжении какого-либо физического или юридического лица и предназначенный для использования другими лицами.

            Таким образом, информационные ресурсы представляют собой один из обязательных элементов, необходимых для осуществления любого вида человеческой деятельности: производства, управления, проектирования новой техники и технологии и т. д.

Носители информации, применяемые в ИС, могут быть выполнены на бумажной основе, с применением звуковых, видео, магнитных и других специальных технических устройств.

Сбор, хранение и обработка информации могут осуществляться традиционными техническими средствами (телефон, радио звука усилительные системы и т. д.) и автоматизированными системами сбора и обработки информации. Собранная в распределенных базах данных информация предоставляется пользователям информации по линиям (каналам) связи, построенным проводными или радиосредствами. В настоящее время применяются прямые каналы передачи данных, каналы телефонной сети, каналы сети передачи данных.

            Функциональной основой любой информационной системы являются информационные процессы. Под информационными процессами понимается совокупность взаимосвязанных и взаимообусловленных процессов выявления, анализа, ввода и отбора информации, выдачи с помощью различных средств ее потребителю для принятия управленческого решения.

Информационные системы строятся централизованным, децентрализованным и смешанным способами.

На рис. 1.37 представлена функциональная схема централизованной информационной системы. Как видно из этой схемы, информация, собранная в подсистеме (центре) ввода, обновления и корректировки, поступает на центральную подсистему (информационный центр) организации, хранения и предоставления информации. В этой подсистеме осуществляется обобщение информации, ее распределение по соответствующим разделам (например, промышленность, сельское хозяйство, оборона, наука и т. д.) и последующее хранение. Информация из центральной подсистемы предоставляется по запросам пользователей. В общем случае информационное пространство, в пределах которого действует ИС, неоднородно, так как содержит информационные объекты, различающиеся по методам формирования, организации и пополнения информации.

            Достоинством централизованного способа построения ИС является его относительная простота реализации.

            К недостаткам следует отнести возрастание громоздкости системы организации, хранения и предоставления информации, снижение оперативности обработки и предоставления информации пользователям. Децентрализованный способ построения ИС наряду с основной подсистемой (информационным центром) организации и хранения

информации предусматривает создание сателлитных подсистем (информационных центров).     В этом случае ИС представляет собой фактически совокупность подсистем организации и хранения информации (рис. 1.38).

        К достоинствам систем, построенных на основе этого способа следует отнести максимальную приближенность информационных центров (ИЦ) к пользователям, что значительно упрощает обмен формацией. Для таких систем характерна высокая гибкость и малая инерционность. К недостаткам следует отнести сложность, а иногда невозможность координации действий отдельных подсистем, что в конечном счете затрудняет достижение общей цели функционирования ИС.

            К середине 1990-х гг. эволюция ИС вошла в очередную критическую фазу, когда централизованная архитектура стала неадекватна современным информационным технологиям, а децентрализованные системы не обеспечивали необходимых уровней управляемости, надежности, информационной безопасности и затрат.

            Основной способ преодоления недостатков полностью децентрализованных систем состоит в разумной концентрации информационных и вычислительных ресурсов системы, благодаря которой конечные пользователи освобождаются от выполнения функций, не соответствующих их профессиональным задачам (в частности, связанных с системным администрированием), и выделении специальных подсистем, ответственных за администрирование, а в ИС специального назначения — и за информационную безопасность.

            Административная система предназначена для административного управления информационной системой. Задачи административной системы заключаются в проверке работоспособности компонентов ИС, их восстановлении, введении в работу новых компонентов при расширении или модернизации ИС и др.

            Основой построения систем этого типа является смешанный способ, предусматривающий централизацию ресурсов системы и распределенную обработку. При этом способе построения сравнительно небольшие объемы информации обрабатываются в сателлитных подсистемах (базах данных), а основная ее часть в главной подсистеме.          Концентрация большей части нагрузки на главной подсистеме является необходимым условием повышения эффективности ИС; это позволяет оптимизировать структуру исполнительных ресурсов при минимизации затрат на реализацию системы. Кроме того, этот способ построения позволяет без нарушения системы в целом модифицировать ее отдельные элементы (в частности увеличить количество рабочих станций, подключенных к сателлитной подсистеме обработки информации, или заменить сервер на более мощный). Смешанный способ построения применяется при строительстве информационной подсистемы информационно телекоммуникационной системы. На рис. 1.39 показана обобщенная схема обмена информацией в ИС Федерального казначейства и Госкомстата.

            Информационная система представляет собой совокупность взаимосвязанных информационно-аналитических центров, распределенных на территории РФ. Она выполняет две основные функции:

            1) ввод, обработка, хранение информации на нижних уровнях;

            2) обобщение информации от нижних уровней и подготовка ее для вышестоящих органов государственной власти.

            В рамках выполнения первой функции созданы региональные информационно-аналитические центры с соответствующими программно-аппаратными средствами приема, обработки, хранения информации и предоставления ее по требованию пользователей или в информационно-аналитические центры (ИАЦ).

            Вторая функция реализуется посредством информационного обмена (онлайн, электронная почта, телеконференции), средств коллективной подготовки решений (электронный документооборот), средств преобразования данных при взаимодействии различных систем (нормирование), стандартизации информационного взаимодействия, анализа информации и ее подготовки для пользователей более высокого уровня.

            В настоящее время не существует единой классификации информационных систем. Поскольку долгое время различные направления ИС развивались относительно независимо, то целесообразно их разделить на две основные группы: системы информационного обеспечения и системы, имеющие самостоятельные целевые назначения и области применения.

            Системы информационного обеспечения входят в состав любой автоматической системы управления (АСУ). Они являются важнейшими компонентами интенсивно развиваемых в настоящее время систем интегральной автоматизации производственных систем, систем автоматизированного проектирования (САПР) и т. д.

Информационные системы, имеющие самостоятельное значение, классифицируются по ряду указанных ниже признаков (рис. 1.40) [19, 23].

            1. По типу хранимых данных: — документальные информационно-поисковые системы (ГИПС) предназначены для хранения и обработки документальных данных;

            — фотографические информационно поисковые (ФИПС) системы хранят и обрабатывают фотографическую информацию (структурированные данные в виде чисел и текстов).

            2. По характеру обрабатываемой и хранимой информации:

            — информационно-поисковые системы (ИПС) производят ввод, систематизацию, хранение, выдачу информации па запросу пользователя;

            — информационно-справочные системы выполняют поиск и ввод информации без ее обработки;

            — информационные системы обработки данных (ИСОД) сочетают в себе информационно-справочную систему с системой обработки данных;

            — информационно-расчетные системы (ИРС) осуществляют все операции обработки информации по определенному алгоритму. В свою очередь ИРС делятся на управляющие и советующие. Управляющие ИС вырабатывают информацию, на основании которой лицо, принимающее решение (ЛПР) принимает решение. Советующие ИС выдают информацию, которая принимается ЛПР к сведению.

            3. По степени автоматизации:

            — ручные ИС, которые характеризуются отсутствием технических средств обработки информации, все операции выполняются человеком;

            — автоматические ИС выполняют все операции по обработке информации без участия человека.

            — автоматизированные ИС предполагают участие в процессе обработки информации и человека и технических средств, причем главная роль отводится компьютерам;

            4. По уровню управления:

            — стратегические ИС обеспечивают поддержку принятия решения по реализации перспективных стратегических целей развития объекта (предприятия, организации и т. д.);

            — оперативные (операционные) ИС обеспечивают поддержку принятия решения.

            5. По назначению:

            — абонентские ИС предназначены для предоставления пользователям информационных ресурсов от баз данных (БД) ЭВМ;

            — административные ИС предназначены для административного управления;

            — терминальные ИС — системы, программное обеспечение которых предназначено для управления терминалами;

            — рабочие ИС — системы, в которых ресурсы ЭВМ сосредоточены только на обработке информации. В рабочих ИС нет «своих» терминалов пользователей. Доступ к рабочей системе возможен только через телекоммуникационную сеть.

            — комбинированные ИС. В этих системах есть общие для всех ресурсы (как в рабочих системах) и обеспечивается управление «своими» терминалами (как в терминальной системе).

            Современные подсистемы хранения, обработки и доставки информации (информационно-аналитические центры) ИС имеют высокое быстродействие, большую память. Каждая из них может одновременно работать со значительным числом местных и удаленных пользователей. Успехи, связанные с созданием больших информационных систем, привели к тому, что появились крупные информационно аналитические центры (ИАЦ), хранящие разнообразную информацию, необходимую работникам всех отраслей народного хозяйства. Количество крупных ИАЦ быстро растет и только в нашей стране уже исчисляется многими сотнями.

            Какой бы большой ни была главная подсистема хранения, обработки и предоставления информации она не в состоянии хранить и обрабатывать все виды информации, поэтому в соответствии с вышерассмотренными способами построения ИС наиболее перспективным является обработка информации как в главной подсистеме, так и в сателлитных элементах.       Для связи между ИАЦ информационных систем созданы информационные сети (ИС), которые называют информационно-коммуникационными сетями (ранее они назывались вычислительными сетями, но поскольку вычислительные задачи занимают лишь часть всех информационных задач, то более корректно называть их информационными сетями).

            Информационная сеть представляет собой функционально связанную совокупность программно-технических средств обработки и доставки информации и состоит из территориально распределенных информационных узлов (подсистем обработки информации) и физических каналов передачи информации.

            Для описания принципов построения ИС используются физическая, логическая, информационная и маршрутная структуры, а также понятие архитектуры ИС, определяющей принципы ее функционирования в целом.

            Физическая структура ИС характеризует множество территориально-распределенных информационных узлов (подсистем, ИАЦ), реализующих ту или иную совокупность информационных процессов на базе программно-аппаратных средств. Эти узлы соединяются физическими каналами передачи информации (каналами связи), обеспечивающими взаимодействие этих подсистем.

            В формализованном виде физическую структуру ИС можно представить неориентированным графом G(V, U), содержащим конечное множество узлов, соответствующих информационным узлам ИС, и конечное множество U ребер, соответствующих каналам связи, или матрицей [S[ =[[S]];I,j, где S_ij =1 при наличии ребра между вершинами i и j, s_ij = 0 в противном случае.

            Информационная структура ИС определяется потребностями отдельных абонентов (пользователей) в обмене информацией и представляется совокупностью пространственно распределенных информационных узлов и путей доставки информации между ними. Информационная структура может совпадать с физической структурой, а может и отличаться. Одной физической структуре может соответствовать несколько информационных структур. Обычно потребности во взаимосвязи характеризуются матрицей интенсивностей

информационного обмена [л]определяющей максимальную интенсивность информационного обмена (для часа наибольшей нагрузки) между парой ПИ одного или различных узлов связи.

            Маршрутная структура ИС описывает множество адресуемых элементов сети (информационных узлов, ИАЦ, подсистем) и множество реализованных путей доставки между этими элементами. В формализованном виде маршрутная структура сети может быть описана в виде матрицы

где Р — множество типов ПИ; F — множество функций обработки и обмена, реализуемых ПИ; R- множество правил обработки информации и протоколов взаимосвязи; С- множество способов представления информации при ее обработке и передаче, а также соответствующих им форматов.

            Архитектура ИС, являясь не зависимой от физической реализации элементов сети и физической структуры, обобщает информационную, логическую, маршрутную структуры, определяет модель ИС, основные компоненты данной модели и функции, выполняемые ими.

Примером хорошо проработанной и стандартизированной международной организацией стандартов (МОС) архитектуры для ИС является семиуровневая архитектура эталонной модели взаимосвязи открытых систем, подробному рассмотрению которой посвящена вторая глава пособия.

            Концептуальную модель информационной сети можно представить в виде функциональной архитектуры, содержащей три уровня описания ее функций:

            — первый уровень (центральный) описывает функции и правила взаимосвязи при передаче различных видов информации между территориально удаленными абонентскими системами по физическим каналам связи (первичной сети связи) транспортной сети;

            — второй уровень описывает функции и правила обмена информацией между пользователями различных абонентских систем и реализуется телекоммуникационной сетью, представляющей собой единую инфраструктуру для обмена различными видами информации между пользователями информационной сети;

            — третий уровень

            — это совокупность прикладных процессов в территориально удаленных абонентских системах, являющихся потребителями информации и выполняющих ее содержательную обработку.

Под прикладными процессами в модели ИС понимается тип информационных процессов, ориентированных на выполнение функций семантической обработки информации в узлах сети в контексте решаемой задачи.

Со структурной точки зрения ИС состоит из следующих элементов:

            — телекоммуникационной сети, которая представляет собой совокупность коммуникационных узлов, соединенных каналами первичной сети, обеспечивающую передачу информации между территориально распределенными абонентскими системами и реализующую в рамках ЭМВОС функции трех нижних уровней функциональной архитектуры;

            — абонентских систем (АС), представляющих собой комплекс программно-аппаратных средств, реализующих как функции обработки информации, так и функции взаимосвязи потребителей информации, обеспечивая доступ абонентов к телекоммуникационной сети.

Основой построения функциональной архитектуры современных телекоммуникационных сетей (ТС) является профиль протоколов (совокупность правил), обеспечивающий реализацию функций взаимосвязи в ТС, предоставляющей абонентам интегрированные услуги по передаче любого вида информации. Пример структуры информационной сети приведен на рис. 1.41.

Информационная сеть строится с использованием современных технологий Х.25, ATM, Frame Relay, обеспечивающих своевременную и достоверную доставку сообщений как от ИАЦ в главный ИАЦ, так и между ИАЦ.

Таким образом, информационные сети выполняют в основном три функции: коммутацию сообщений, их передачу между ИАЦ и предоставление информации по запросам пользователей (абонентов).

Информационные сети имеют ту же классификацию, что и сети документальной связи, которые будут рассмотрены в шестой главе этого пособия.

1.7. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ И СЕТЕЙ СВЯЗИ

            Жизнь современного общества немыслима без широкого использования разнородных систем передачи информации. Эти средства непрерывно совершенствуются и развиваются. Объемы информации с каждым годом возрастают, увеличивается дальность связи, повышаются требования к качеству передачи. В связи с этим на передний план выдвигается задача управления сложными системами (СС).

            Под управлением понимается процесс формирования рационального поведения сложной системы на различных этапах ее функционирования. Сущность управления составляют процессы подготовки и принятия решения соответствующими должностными лицами, его детализация в ходе планирования связи, развертывание и применение сил и средств, организация взаимодействия и всестороннего обеспечения, а также контроль их исполнения. Цель управления состоит в обеспечении максимальной эффективности использования имеющихся сил и средств при решении поставленных задач. В связи с этим важное значение приобретает задача совершенствования принципов и критериев принятия решений, составным элементом которой является оценка эффективности целенаправленных процессов функционирования систем (ЦПФС).

            В основе решения задач должен лежать системный подход, который означает, что интересующий нас объект надо рассматривать не только во взаимосвязи с другими объектами, но и как систему. Целью изучения эффективности функционирования системы (сети) связи является приобретение сведений для выработки рекомендаций лицу, принимающему решение, для рационального выбора стратегий, обеспечивающих успешное выполнение системой (сетью) связи стоящих перед ней задач.

Проблемам оценки эффективности функционирования сложных систем посвящено большое количество работ [24 — 31], в которых приводится не всегда однозначная терминология, что затрудняет изучение основ теории эффективности.

1.7.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ                                                 ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ СВЯЗИ

            Теория эффективности целенаправленных процессов, к которым относится и функционирование систем и сетей связи, составляет методологическую и математическую основы модельного экспериментирования со сложными объектами (системами и процессами) на основе выявления показателя эффективности и определения критериев их оценивания.

Основными понятиями теории эффективности являются система, задача системы, операция, цель операции, стратегия, операционная система, операционный комплекс.

            Система — это множество (совокупность) взаимосвязанных объектов (элементов системы).

            Подсистема — это сложная система меньшего масштаба, чем исходная, организационно входящая в последнюю, и реализующая самостоятельную операцию, цель которой подчинена цели операции, проводимой исходной системой, являющейся по отношению к подсистеме главной системой.

            Элемент системы — это объект, входящий в состав системы, но не имеющий в рамках конкретной операции самостоятельной цели и не подлежащий расчленению на части.

Понятия подсистемы и элемента сугубо модельные и в этом смысле условные. Одна и та же совокупность объектов может в рамках одной операции быть элементом, в рамках другой — подсистемой, в рамках третьей — системой или даже главной системой.

Элементы сложной системы функционируют во взаимодействии, в результате чего свойства сложной системы определяются не только (и не столько) свойствами ее элементов и подсистем, но и характером взаимодействия между ними, т. е. новыми так называемыми системными свойствами.

            Комплекс — это совокупность объектов (подсистем, элементов) различной физической природы, объединенных общей целью, но с менее жесткими, чем в системе, организационными связями.

            Задача системы — это требуемый исход операции, который должен быть достигнут в результате функционирования системы при заданном расходе ресурсов в единицу времени. Другими словами, задача представляет собой конкретизированную цель. По существу цель операции становится задачей системы, если конкретизированы количественные характеристики требуемого результата и отпускаемых на его получение ресурсов и времени. Практически цель операции достигается путем выполнения системой последовательности задач. Если цель операции сформулирована (задача системы поставлена), то может быть начата разработка альтернативных способов (планов, программ) достижения цели (выполнения задачи). Из набора альтернативных планов наилучший выбирается на основе тех или иных концепций и вытекающих из них принципов, которые формально выражаются в форме критериев (правил суждения).

            Сложная система — система, характеризующаяся множеством возможных состояний, каждое из которых описывается набором значений ее конкретных параметров. Эта система отличается сложным строением и сложным поведением. Все рассматриваемые в теории эффективности системы — сложные.

            Под операцией понимают упорядоченную совокупность (систему) взаимосвязанных действий, направленных на достижение определенной цели (рис. 1.42).

            Применительно к системе связи операция — это целенаправленный процесс ее функционирования. Именно наличие общей цели объединяет множество объектов в систему. Атрибутом операции является

конечная ее длительность, называемая операционным временем. Различают операции положительные и отрицательные, прямые и косвенные (побочные). Кроме того, в рамках каждого из блоков данного рисунка результаты могут быть однородными и неоднородными.

            Цель- это требуемый (желаемый) исход операции. Пока нет цели, нет и операции. В рамках теории эффективности предполагается, что цель операции — единственная. Операцию, преследующую несколько целей, рассматривают как совокупность одноцелевых операций. При этом эффективность отдельных таких операций может быть разной. Если цели этих операций взаимосвязаны, то иногда их совокупность может рассматриваться как одна обобщенная цель. Цель считается достигнутой, если путем преобразования функционирующей системой некоторых ресурсов получен желаемый результат (исход операции).

            Целевой эффект операции — это результат, ради получения которого проводится операция. Результатом операции является совокупность всех ее эффектов (последствий).

            Стратегия — это определенная организация и способ проведения операции (применения системы связи).

            Ресурсы — это запасы сырья, энергии, информации, времени, а также технические и людские ресурсы, необходимые для проведения операции и получения требуемого целевого эффекта. Ресурсы могут быть классифицированы по структуре и по динамике превращения в целевой эффект. По структуре ресурсы делятся на однородные и неоднородные. Однородность ресурсов существенно упрощает исследование операции и ее эффективности, однако подобные операции крайне редки (если вообще существуют). Различают ресурсы активные и пассивные, динамические и статические.

            Активными (А) называются ресурсы, непосредственно обеспечивающие целевой эффект. Пассивными (П) называются ресурсы, участвующие в получении целевого эффекта, но непосредственно его не обеспечивающие. Динамическими (Д) называются ресурсы, расходуемые на получение целевого эффекта в ходе операции. Статическими (С) называются ресурсы, расходуемые при создании системы и организации целенаправленного процесса ее функционирования. Для типичных операций характерно использование следующих ресурсов:

            — сырьевой (А, Д),

            — энергетический (А, Д),

            — структурный ВТС (П, Д),

            — технический (П, С),

            — технологический (П, С),

            — информационный (П, Д),

            — временной (П, Д),

            — трудовой,

            — людской (П, Д) и т. д.

            Свойство — это объективная особенность объекта, зависящая от его строения и характеризующая отдельную его сторону (аспект). Различают внутренние (структурные) и внешние (функциональные) свойства. Внутренние свойства присущи самой системе (например, пропускная способность, мобильность и др.), а внешние оказывают влияние на суперсистему (например, своевременность, достоверность и др.). Эти свойства диалектически взаимосвязаны и определены ГОСТ. Основные свойства элементов операционного комплекса представлены в табл. 1.2.

            Операционная система — это совокупность объектов (как материальных, так и нематериальных: информация, время и т. д.), в результате взаимодействия которых реализуется операция.

            Операционный комплекс представляет собой совокупность объектов, содержащую в качестве элементов операционную систему, суперсистему и окружающую среду.

Под окружающей средой понимают совокупность объектов, не входящих в операционную систему, непосредственного участия в операции не принимающих, но обусловливающих операционную ситуацию и оказывающих влияние на ЦПФС и его исход.

Каждый исследуемый объект обладает определенными свойствами, обусловливающими его качество.

            Квалиметрия — это научная область, в которой разрабатываются методологические основы, методы и методики количественного оценивания и анализа качества объектов.

            Качество — это свойство или совокупность свойств объекта, обусловливающих его пригодность для использования по назначению.

            Т а б л и ц а 1.2. Основные свойства элементов операционного комплекса

            В зависимости от назначения объекта (системы) совокупность его свойств, учитываемых при исследовании качества, может быть различна.

Каждое из свойств объекта может быть описано с помощью некоторой переменной, значение которой характеризует меру (интенсивность) его качества относительно этого свойства. Эту меру (представляющую собой числовую характеристику или функцию) называют показателем свойства или единичным частным показателем качества (ЧПК) объекта (системы, сети связи). Уровень качества объекта характеризуется значениями совокупности показателей его существенных атрибутивных свойств, т. е. свойств, необходимых для

соответствия объекта его назначению. Эта совокупность называется показателем качества (рис. 1.43).

            Показатель качества объекта представляет собой вектор, компоненты которого — показатели его отдельных свойств, представляющие собой частные, единичные показатели качества объекта.

            Учитывая это, состояние системы связи в любой момент времени можно описать с помощью вектора частных показателей качества:

Y(t) = [y₁ (t), y₂ (t),…..,у(t)].                                    (1.37)

где у₁(t),…., y_n(t) — компоненты вектора показателя качества, характеризующие наиболее существенные свойства элементов системы связи (собственно системы связи или системы информационного обмена и системы управления) и процесса их функционирования.

            Изучение любого объекта (системы, сети связи) ведется либо с учетом взаимосвязи с другими объектами (например, система связи, являясь составной частью системы управления, должна учитывать ее интересы), либо без учета.

Показатели качества, как и свойства, делятся на собственные и несобственные.

            Собственные (или внутренние) показатели качества предназначены для изучения системы по разомкнутой схеме, когда система рассматривается как самостоятельная, не связанная со старшей системой.

            Несобственные (или внешние) показатели предназначены для исследования влияния качества функционирования изучаемой системы на характеристики старшей системы на основе выбранных критериев.

Критерий оценивания качества — это руководящее правило (условие или совокупность условий), вытекающее из принятых (положенных в основу исследования) концепций и принципов оценивания и реализуемое при принятии того или иного решения (проектного, организационного, управленческого и т. д.) о качестве исследуемого объекта. Другими словами, под критерием будем понимать правило на основании которого производится оценка, определение или классификация [18].

При оценивании качества любого объекта, описываемого n- мерным векторным показателем, рассматривается совокупность критериев, каждый из которых в общем случае может принадлежать одному из классов (рис. 1.44):

            1) классу G критериев пригодности,

            2) классу 0 критериев оптимальности,

            3) классу S критериев превосходства.

            Рассмотрим формализованную постановку задачи. Пусть У =[у₁,у₂….,y_n] — вектор частных показателей качества. Например, для системы контроля и диагностики технического состояния радиорелейной линии передачи такими показателями могут быть точность оценки контролируемых параметров, достоверность диагностических решений, оперативность выработки диагностических решений, достоверность прогноза состояния и т. д.

            В реальных ситуациях доступным для оценки таких показателей является вектор случайных величин с совместным распределением:

Оценка качества — числовая характеристика показателя качества, получаемая опытным путем или с помощью расчетов (при косвенных измерениях) с использованием модели показателя качества.

            По определению, качество — это свойство или совокупность существенных свойств объекта, обусловливающих его пригодность для использования по назначению. Применительно к целенаправленному процессу подобные его свойства (атрибуты) называются операционными. К ним относятся результативность, ресурсоемкость и оперативность.

Результативность ЦПФС характеризуется получаемым в результате целевым эффектом. Она обусловливается способностью операции давать целевой эффект (т. е. результат, ради которого проводится операция). Применительно к связи это свойство операции (процесса обмена информацией) называется достоверностью.

            Ресурсоемкость ЦПФС характеризуется расходом операционных ресурсов всех видов (материально-технических, энергетических, информационных, временных, финансовых, людских и т. д.), необходимых для проведения операции и получении целевого эффекта.

Оперативность ЦПФС характеризуется расходом операционного времени, т. е. времени, необходимого для достижения цели операции. Применительно к связи это свойство называется своевременностью.

Эффективность — это комплексное операционное свойство целенаправленного процесса функционирования системы, характеризующее его приспособленность к достижению цели реализуемой ТС операции (к выполнению стоящей перед ТС задачи).

Таким образом, из этого определения следует, что эффективность является свойством не системы, а процесса ее функционирования, причем не любого, а только целенаправленного, т.е. операции, выполняемой системой.

Показатель эффективности операции должен удовлетворять совокупности общих требований:

            — представительность(адекватность); — критичность(чувствительность);

            — комплексность(полнота); — стохастичность;

            — простота.

            Показатель представительности позволяет оценивать эффективность операции по достижении ее основной (а не второстепенных) цели. Цель операции должна находить свое прямое отображение в показателе ее эффективности. Показатель критичности чувствителен к изменениям исследуемых характеристик. Показатель комплексности позволяет решать задачу исследования эффективности операции без привлечения других ее характеристик.           Показатель стохастичности позволяет учитывать неопределенность условий проведения операции, обусловленную воздействием случайных факторов и всегда сопутствующую исследованию операции (ее эффективности).

            Показатель эффективности должен быть достаточно простым (при необходимой комплексности), чтобы его вычисление и последующий анализ эффективности операции могли быть реализованы в приемлемые сроки и наглядно интерпретированы. Всем перечисленным требованиям удовлетворяет показатель эффективности, представляющий собой вероятность достижения цели операции Р, или вероятность соответствия системы связи своему функциональному предназначению

P_дц=P(Y₁{Y^доп}),                                                                                                                           (1.42)

 где {У^доп} — множество допустимых значений показателей эффективности.

            Критерий оценивания эффективности — совокупность условий, определяющих цели операции и в соответствии с ними пригодность, оптимальность или превосходство исследуемой операции. Критерием может быть достижение показателем эффективности максимального значения в выбранном классе исходных данных

            Следует отметить, что критерии (1.43) — (1.45) позволяют наиболее полно и объективно оценить эффективность функционирования системы и сети связи. Однако их реализация на практике связана со значительными трудностями, обусловленными отсутствием достаточной информации о законе распределения параметров F. В настоящее время существуют различные подходы к выбору показателей и критериев оценки эффективности функционирования систем, сетей связи. В каждом конкретном случае от специалиста в области связи требуется умение выбрать из всего многообразия методов наиболее оптимальный.

1.7.2. ОСНОВНЫЕ ПОДХОДЫ К ОЦЕНКЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМ СВЯЗИ

            Оценка эффективности функционирования систем связи может проводиться как на этапе планирования, так и в процессе их развертывания, эксплуатационного обслуживания и свертывания. Для этапа планирования характерно введение ряда ограничений, связанных с недостаточными данными о возможном воздействии на систему связи различных дестабилизирующих факторов. Поэтому на этапе планирования в основном применяется вероятностный подход оценки эффективности системы связи. В ходе функционирования системы связи в органы управления постоянно поступает информация о состоянии системы связи и ее элементов. На основании полученной информации проводится статистическая оценка эффективности функционирования системы связи.

            В рамках рассматриваемых подходов существует множество методов оценки эффективности, которым посвящено большое количество работ. Их анализ позволяет выделить несколько этапов в развитии теории эффективности. К начальному этапу можно отнести период до середины 1970-х гг., когда анализ эффективности функционирования сложных систем передачи информации проводился путем оценки отдельных их свойств, а результатами оценки эффективности были оценки отдельных ПК системы. При изучении проблемы формирования и обработки различного рода сигналов оценивали эффективность, опираясь на вероятность ошибки; при рассмотрении ресурсов в сетях оценивали надежность; при учете вопросов радиоэлектронной борьбы (РЭБ) оценивали помехоустойчивость и т. д.

В конкретных условиях обстановки эффективность функционирования системы (сети) связи W_сс можно оценивать по частным показателям (мобильности, пропускной способности, устойчивости функционирования, управляемости и др.):

Однако, как правило, такая оценка не может дать необходимого представления о свойствах системы даже при сравнительной оценке вариантов структуры с целью выбора предпочтительного варианта из нескольких. Начиная с 1975 г., анализ эффективности функционирования начал проводиться с привлечением нескольких показателей эффективности и последующего решения задачи оптимизации на основе нескольких критериев, что вызвало определенные трудности в вычислениях. Избежать этого стало возможным при использовании системы из основного и дополнительных показателей. Основной показатель должен соответствовать главной цели действия, достижением которой решается поставленная задача. Дополнительные показатели призваны характеризовать другие значимые свойства системы.

            Очевидно, что основным функциональным назначением системы связи является своевременная передача поступающих сообщений с требуемыми безопасностью и достоверностью. При проектировании системы связи объемы поступающих сообщений различного вида определяются в соответствии с руководящими документами или со статистическими данными. Поэтому в качестве основного показателя эффективности функционирования может использоваться объем своевременно переданной в единицу времени (час наибольшей нагрузки) нагрузки при выполнении уровней требований по безопасности и достоверности:

            К началу 1980-х гг. сформировалось несколько подходов к сведению совокупности основного и частных показателей к одному обобщенному (свертка совокупности показателей к одному). Сюда можно отнести методы дробного представления показателя эффективности, суммирования показателей эффективности с различными весовыми коэффициентами, представления обобщенного показателя как условной вероятности основного показателя при условии выполнения требований дополнительных показателей эффективности.

            Преимуществами этого метода являются учет случайного характера изменения большинства ПК системы связи, а также реальная возможность автоматического решения основных проблем многокритериальной оценки качества и эффективности системы связи (т.е. нормирования компонентов векторных ПК и их свертки). Метод основан на вычислении частных показателей эффективности (ЧПЭФ) сведении их в ОПЭФ на каждом шаге оценивания с помощью математического аппарата условных вероятностей и теорем функциональной и параметрической декомпозиции.

            Недостатком данного метода является возможность анализа эффективности функционирования системы связи лишь в моменты локальной временной стационарности (т. е. в фиксированные моменты времени), что не учитывает влияние на общую эффективность системы связи воздействий, имеющих динамичный и вероятностный характер.

Развивающийся в последние годы метод векторной оценки эффективности позволяет проанализировать эффективность функционирования систем связи в нестационарных условиях, в динамике их работы и тем самым получать возможность оперативно реагировать на изменения качества и эффективности по ходу функционирования систем. Этот метод использует вероятностно-временные ЧПЭФ и ОПЭФ.

Выбор метода оценки эффективности функционирования систем и сетей связи в каждом конкретном случае определяется степенью освоения того или иного метода, имеющимся вычислительным ресурсом, сложностью исследуемой системы и располагаемым временем.

1.7.3. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

            Любой вид деятельности связан с распределением или использованием экономических ресурсов — людских, материальных или финансовых. В этом смысле все проблемы независимо от того относятся ли они к области планирования, финансирования или даже к какой-либо сфере деятельности являются одновременно и экономическими проблемами.

Под экономической эффективностью обычно понимается соотношение между экономическим эффектом и затратами ресурсов, не обходимых для обеспечения деятельности СС или фактически израсходованных.

            Задача оценки экономической эффективности возникает при сопоставлении вариантов технических решений, требующих значительных капитальных затрат, и планировании развития систем и комплексов связи.

Для сравнительной экономической оценки вариантов используется показатель

W_i=З_i+E_h.К_i (1.53)

где З_i — текущие затраты по i-му варианту, К_i — капитальные вложения по i-му варианту, Е_h— нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений.

При производстве расчетов в различных сферах деятельности показатели затрат и вложений имеют различные смысл и содержание.

            Универсальным измерителем тождественности результатов в области связи используется степень достижения цели при выполнении мероприятий в одинаковых условиях. Широко распространенным ОПЭФ является объем полезной работы. Он может характеризоваться самыми разнообразными величинами: количеством информации, переданной или принятой с помощью данного устройства, числом задач каждого типа, решаемых ЭВМ в течение заданного времени, и т. д.

С некоторой долей условности можно оценить экономическую эффективность применительно к решению задач по организации связи. Поскольку организация связи сопровождается расходованием ресурсов (материальных, людских) и может быть оценена в стоимостном виде, то в зависимости от распределения сил и средств можно выполнить одну и ту же задачу с разными затратами. Следовательно, разница в стоимости выполнения задачи оптимальным и любым другим способом, отличным от оптимального, дает определенный выигрыш в ОПЭФ.

            С другой стороны, если оценить стоимость предотвращенного ущерба и сопоставить ее с затратами на выполнение задач, характеризующими размер израсходованных ресурсов, то также можно судить об экономической эффективности использования техники.

Конкретное содержание ЧПЭФ определяется характером решаемой задачи, назначением и составом оцениваемой системы и заданными ограничениями.

1.7.4. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СЕТЕЙ СВЯЗИ ПО ЧАСТНОМУ ПОКАЗАТЕЛЮ УСТОЙЧИВОСТИ

            Устойчивость — способность сети связи выполнять заданные функции в установленном объеме с требуемым уровнем качества в течение определенного периода или в произвольный момент времени при воздействии различных дестабилизирующих факторов.

Устойчивость сети связи характеризуется живучестью, помехоустойчивостью и надежностью:

У = f(Ж, ПУ, Н).                                                                                                                                    (1.54)

            Живучесть сети связи характеризует ее свойство сохранения способности устойчиво функционировать при воздействии на нее дестабилизирующих факторов, существующих вне сети и приводящих к разрушению или значительным повреждениям ее элементов (линий, станций и узлов связи). Все дестабилизирующие факторы можно разделить на два класса: стихийные и преднамеренные. К стихийным факторам относятся такие как гроза, землетрясение, оползни, разливы рек и т. д., а к преднамеренным — террористические акты, диверсии и др.

            Для оценки сети связи широко используются показатели объектовой, структурной и функциональной живучести.

Объектовая (элементная) живучесть — свойство, объективно присущее элементу сети связи сохранять работоспособность с качеством не хуже заданного на некотором интервале времени [17].

            Под структурной живучестью сети связи понимают свойство сети сохранять связность структуры при массовых разрушениях отдельных элементов — узлов, линий или целых участков сети [17].

            Функциональная живучесть — структурная живучесть с наложенными на нее ограничениями по условиям функционирования.

            Количественной мерой объектовой живучести элемента сети связи является вероятность его выживания, т. е. вероятность того, что в случае воздействия на элемент поражающего фактора он сохранит свою работоспособность. Структурная живучесть оценивается связностью сети, а также величиной структурного ущерба от выхода из строя узлов и линий связи.

            Свойство связности для сети связи может быть сформулировано в следующем виде: сеть связи называется связной, если в ней может быть найден хотя бы один прямой или транзитный путь для установления связи между любой парой узлов связи.

Функциональная живучесть определяется уменьшением производительности сети (снижение показателей таких свойств, как своевременность, достоверность и др.) в результате выхода из строя одного из ее элементов.

В общем случае живучесть зависит от степени поражающего воздействия на сеть связи (ее элементы) и от ее защищенности. Общая последовательность оценки сети связи по живучести включает четыре этапа:

            1. Моделирование предполагаемого воздействия на сеть связи в соответствии с ее предназначением, анализ возможных дестабилизирующих факторов.

            2. Определение вероятности выживания отдельных элементов сети связи, т. е. объектовой живучести.

            3. Определение структурной живучести сети с учетом объектовой живучести ее элементов.

            4. Определение функциональной живучести сети связи с учетом того, что структурная живучесть принимается за потенциально возможную живучесть сети, на которую накладываются некоторые ограничения, связанные с условиями функционирования сети и алгоритмом ее управления.

Критерием оценки живучести сети связи служит выражение

P_{выж сс}>P_{выж сс}

где Р_{выж сс}— вероятность выживания сети связи. Вместе с тем необходимо отметить, что при планировании связи оценить в целом сеть по критерию (1.55) зачастую затруднительно из-за дефицита времени. В реальных условиях сеть связи может быть оценена по направлениям связи (рис. 1.45).

Направление связи — часть сети связи, представляющая собой совокупность линий связи между узлами связи двух пунктов управления.

Количественно направление связи оценивается вероятностью выживания или вероятностью разрушения:

            Под вероятностью выживания направления связи понимается вероятность того, что хотя бы одна линия связи на этом направлении не будет выведена из строя. Под вероятностью разрушения направления связи понимается вероятность того, что все линии (элементы) на этом направлении будут выведены из строя. Вероятность выживания направления связи определяется по формуле

Рвыж. _нс = П (1- Р _раз.i )                                                                                                 (1.57)

где Р_раз.i . — вероятность разрушения i-го элемента (линии, станции, узла) на направлении связи; — количество элементов связи на направлении связи.

            В зависимости от площади, занимаемой элементом, а также от других условий элементы сети связи могут быть объектами точечными, распределенными или линейными. Элемент сети связи относят к точечным, если его линейные размеры не превышают радиуса действия внешнего фактора, а после воздействия он может иметь только одно из двух состояний: либо сохранит работоспособность, либо полностью выйдет из строя. Для распределенного и линейного элементов кроме упомянутых выше вероятностных оценок вычисляется также величина нанесенного ущерба каждому из них.

Вероятность выживания элементов направления связи может быть как условной, так и безусловной.

Условной она будет в том случае, когда вычисляется в предположении, что воздействие внешнего фактора состоялось.

Условная вероятность разрушения точечного элемента, являющегося целью воздействия, определяется по формуле

Подставляя выражение (1.58) в (1.57), можно определить, что направление связи сохранится («выживет») с вероятностью

Безусловная вероятность выживания элемента сети связи характеризует ее живучесть в течение определенного периода времени И. Такая вероятность применяется для оценки живучести распределенных элементов сети.

Распределенный элемент сети связи представляет собой совокупность нескольких точечных элементов, распределенных территориально на значительной площади. В этом случае при оценке живучести элемента вычисляются вероятности разрушения его составных частей, затем оценивается состояние элемента в целом. Если же распределенный i-й элемент не может быть разделен на взаимно независимые (по живучести) части, то вероятность его выживания определяется следующим образом:                                                                               

Структурная живучесть сети связи определяется с учетом того, что направления связи, входящие в сеть, неоднородны как по составу их элементов, так и по важности оконечных узлов связи (пунктов управления). В связи с этим направления связи условно по важности делятся на двери группы (может быть и более, но обязательным условием является их конечность).

            Удельный вес каждой группы, устанавливается экспертным путем по согласованию с заказчиком сети связи. Нормирующим условием определения весового коэффициента является равенство единице суммы весов по группам важности направлений связи:

откуда следует, что предпочтение следует отдать второму варианту сети связи.

            Следует отметить, что оценка вероятностей выживания элементов сети связи не характеризует предельные возможности варианта сети связи по обеспечению информационной связности между соответствующими узлами связи пунктов управления. Для учета структурной живучести используется вероятность связности заданной пары узлов (p_cв) определяемая как вероятность наличия хотя бы одного возможного маршрута передачи сообщений между ними.

            Расчет вероятностей связности для сложно разветвленных структур может производиться различными методами. Исходными данными для расчетов являются усредненные прогнозируемые значения вероятностей выживания узлов и линий связи.

            Первый метод расчета вероятностей связности базируется на эквивалентном преобразовании сложных (многополюсных) структур к простым двухполюсникам. Под двухполюсной сетью связи (ДСС) понимается часть сети связи, обеспечивающая передачу сообщений между парой абонентов (рис. 1.46, а).

            Под многополюсной сетью связи понимается сеть связи, обеспечивающая одновременную передачу сообщений между двумя и более парами абонентов (рис. 1.46, б).

Второй метод расчета вероятности связности сети связи основан на теореме разложения, которая предполагает последовательное разбиение сети относительно выбранных элементов (узлов). При этом процесс разбиения сложно разветвленной структуры осуществляется до тех пор, пока она (структура) не будет представлена в виде простых параллельно последовательных соединений. Теорема разбиения в принятых нами обозначениях формулируется следующим образом.

            Вероятность связности сети связи (Р_св) исследуемой структуры, состоящей из N элементов, равна произведению вероятности выживания (его элемента на вероятность связности сети связи из (N- 1) элементов при условии, что i-й элемент замкнут накоротко, плюс произведение вероятности разрушения i-го элемента на вероятность связности сети из (N — 1) элементов при условии, что i-й элемент разомкнут.

Сущность данного подхода поясним на примере. Задана мостовая структура сети связи (рис. 1.47), в которой вероятность выживания линий связи Р_выж = 0,36 (за исключением линии

  между 2-ым и 3-им узлами, для которой Р_выж= 0,85) с требуемой вероятностью связности на направлении от 1-го до 4-го узла, равной Р_св= 0,5.

Нужно оценить направление связи между 1-ым и 4-ым узлами в сети по структурной живучести. В качестве показателя, характеризующего

структурную живучесть направления связи, выберем вероятность связности. Данную структуру разобьем на две аналогичные ей: мостовую схему с замыканием накоротко 2-гo и 3-го узлов (рис. 1.48, а) и схему с разрывом линии между ними (рис. 1.48, б). Для каждой из модели определим вероятности связности.

Вероятность связности структуры с учетом параллельной связности элементов сети (рис. 1.48, а):

Решение задач оценки структурной живучести сетей связи осуществлялось в предположении, что линии связи и узлы связи абсолютно надежны. При реальной эксплуатации сетей связи неизбежны отказы ее элементов, на

восстановление которых требуется определенное время, т. е. при оценке сети связи необходимо учитывать надежность ее элементов.

            Под надежностью сети связи понимается ее способность устойчиво функционировать во времени с сохранением в установленных пределах значений всех эксплуатационных показателей. Понятие «надежность» включает техническую и эксплуатационную надежность.        Под технической надежностью понимают способность средств и комплексов сети связи устойчиво функционировать с сохранением в период эксплуатации значений технических характеристик (показателей) в требуемых пределах. Эксплуатационная надежность сети связи определяется способностью ее элементов обеспечивать требуемые показатели качества в заданный период при соблюдении правил эксплуатации обслуживающим их персоналом. Необходимость в анализе надежности сети связи возникает на различных стадиях ее жизненного цикла, поэтому выполнять расчеты приходится в разных условиях информационного обеспечения.

            Таким образом, в зависимости от использования тех или иных исходных данных в основном выполняются расчеты двух типов:

            — расчет ожидаемой (прогнозируемой) надежности сети связи в период планирования ее использования по назначению, т е. априорный;

            — расчет надежности сети связи по данным эксплуатации после завершения (или в процессе) использования по назначению, т.е. апостериорный.

Для учета технической надежности элементов сети связи при оценке ее устойчивости используется подход, который позволяет оценить эффективность восстановления техники связи с учетом времени доставки поврежденной техники к месту ремонта и ее ремонта через коэффициент технической готовности (К,):

где Т_о, Т_в — среднее время исправной работы до отказа и среднее время восстановления соответственно. Требования по времени безотказной работы (или времени наработки на отказ) и времени восстановления средств связи определяются в тактико-технических заданиях на разработку средств связи и уточняются в период принятия их на вооружение в ходе государственных испытаний. Основные из них приведены в табл. 1.3 [3, 18].

Таблица 1.3

Используя данные таблицы, определим коэффициент технической готовности, например для радиостанции большой мощности:

К_г =         400           = 0,99895.

                                                                     400+0,42                                             (1.82)

Как видно, даже для аппаратуры, обладающей сравнительно низкой надежностью, коэффициент технической надежности довольно большой по сравнению с требуемой устойчивостью направлений связи (табл. 1.4). Следует иметь в виду, что устойчивость как свойство сети связи более емкое понятие, включающее в себя совокупность определяющих ее свойств: живучесть, помехоустойчивость и надежность. Очевидно, что в реальных условиях значение показателя устойчивости сети ниже составляющих его параметров.

Таким образом, техническая надежность средств связи оказывает незначительное влияние на общую устойчивость сети связи, так

Т а б л и ц а 1.4. Требуемая устойчивость направлений связи по группам важности

как одновременный выход из строя всех средств связи, а значит и направлений связи, маловероятен. При нарушении связи с некоторыми узлами сеть связи продолжает выполнять свои функции, хотя и не в полном объеме.

1. 7.5. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА КАНАЛОВ И ТРАКТОВ ПЕРЕДАЧИ ПЕРВИЧНОЙ СЕТИ ПО ИХ ЗАГРУЖЕННОСТИ

            Одним из принципов нормирования каналов и трактов первичной сети является оптимальная их загрузка.

Пропускная способность каналов передачи и сетевых трактов описывается формулой

и трактов; W_с — средняя мощность передаваемого сигнала; W_ш средняя мощность шумов, отнесенная к точке с нулевым измерительным уровнем. Из выражения (1.83) видно, что пропускную способность можно увеличить либо за счет повышения мощности сигнала при сохранении мощности шумов, либо за счет снижения Ф при заданной Wс. Стремление повысить С за счет увеличения W_ш, может привести к увеличению помех от линейных переходов, а при достижении порога перегрузки групповых устройств — к непропорциональному росту нелинейных помех и в целом — к уменьшению отношения W_с/W_ш . Следовательно, шумы определяются загрузкой групповых трактов, т. е. совокупностью одновременно действующих каналов и трактов, передающих сигналы различных сообщений. Такими сигналами могут быть разговорные токи, токи сигналов управления и передачи телефонных сообщений, тонального телеграфирования и передачи данных, факсимильного телеграфирования и передачи газетных полос, звукового и телевизионного вещания.

            В настоящее время существует методика расчета параметров загрузки, основанная на учете характеристик индивидуальных сигналов:

            1) W – средняя долговременная мощность;

            2) W_мсм — максимальная средне минутная мощность;

            3) W_мсч – максимальная среднечасовая мощность;

            4) D(W) — дисперсия средне минутных мощностей;

            5) γ — коэффициент эксцесса.

            При этом принимается модель сигнала как случайного процесса, изменяемого по нормальному закону. Под средней мощностью индивидуального сигнала с переменным напряжением U(t) за период времени Т понимается мощность

ной мощностях. Под последними понимают такие значения мощностей, которые превышаются с вероятностью не выше заданной в часы наибольшей нагрузки (ЧНН). В практических расчетах вероятность превышения берется равной ε₁ = 0,01 для среднечасовой мощности и ε₁ = 0,001 для средне минутной мощности.

            Дисперсия средне минутных мощностей (D(W)) характеризует разброс значений средне минутных мощностей относительно их среднего значения — математического ожидания множества значений средне минутных мощностей.

            Коэффициент эксцесса у характеризует отклонение функции распределения мгновенных напряжений сигнала от нормального закона (условно принятой модели сигнала как случайного процесса).

            Зная среднее значение и дисперсию мощности сигнала, можно определить максимальную мгновенную мощность, под которой понимается значение мгновенной мощности, превышаемое с вероятностью не выше заданной малой величины ε₂ (для индивидуальных сигналов ε₂< 0,001, для групповых ε₂ < 0,00001). Для ее оценки используется максимальная эквивалентная мощность W_мэ, которая представляет собой мощность синусоидального сигнала, амплитуда напряжения (мощности) которого равна максимальному мгновенному напряжению (мощности) исследуемого сигнала.

            Параметры индивидуальных сигналов в точке 0 нулевого относительного уровня, необходимые для определения параметров групповых сигналов, приведены в табл. 1.5. Анализ табл. 1.5 показывает, что индивидуальные сигналы можно разделить на две группы. К первой группе относятся сигналы, для которых D(W) ≠ 0, а ко второй — сигналы с не изменяющейся во времени средней мощностью.

Выбор варианта загрузки решается на основе расчета параметров группового сигнала и сопоставления их с нормами для типовых трактов. Нормами определены W^N_мсч и  W^N_мсм — мощности на входе N-канальных групповых и линейны трактов. Допустимая вероятность превышения нормируемого значения W^N_мсм, выбрана равной ε₁ = 0,001.

Т а б л и ц а 1.5. Статистические параметры индивидуальных сигналов

П р и м е ч а н и е: ЧМ — частотная модуляция, РРЛ — радиорелейная линия, АМ— амплитудная модуляция, АЧМ — амплитудно-частотная модуляция, ОФМ — относительно-фазовая манипуляция, ДОФМ — двойная относительно-фазовая манипуляция, мкВт О — мощность, измеренная в точке О с нулевым относительным уровнем.

            Нормирование параметров группового сигнала за определенные интервалы времени соответствует нормированию шумов в канале за такие же интервалы. При этом учитывается загрузка трактов не только телефонными, но и сигналами других видов. В отдельные моменты мгновенные значения энергетических параметров сигналов могут превышать пороги перегрузки устройств; входящих в состав групповых и линейных трактов.

Обычно порог перегрузки выбирается таким, чтобы вероятность его превышения была очень мала и не превышала ε₂ = 0,00001. С учетом этого перегрузка возможна, когда мощность сигнала максимальна и должна определяться по отношению к W^N_мсм,

            Таким образом, для трактов задаются допустимые значения W^N_МСЧ, и W^N_мсм, максимальные допустимые значения W^N_мэ, зависят от параметров конкретной системы передачи. Максимальные допустимые значения параметров многоканальных сигналов на входе наиболее широко применяемых групповых и линейных трактов ЕСЭ России приведены в табл. 1.6.

Методика определения загрузки трактов заключается в том, что по энергетическим параметрам индивидуальных сигналов находятся параметры групповых сигналов и сравниваются с параметрами

Таблица 1.6

загрузки (табл. 1.6), которые являются предельными и не могут быть превышены без увеличения мощности шумов.

С целью расчета загрузки групповых и линейных трактов общее число каналов N разбивается на т пучков однородных каналов, по которым передаются сигналы одного вида с одинаковыми статистическими параметрами (до n_i каналов в i-ом пучке). Далее для каждого пучка рассчитываются значения средней долговременной мощности, дисперсии средне минутных мощностей и коэффициента эксцесса суммарного сигнала по формулам

значения средней долговременной мощности W_N1и дисперсии средне минутных мощностей D(W_N1) определяются по формулам

Формулы (1.88) и (1.89) позволяют довольно просто определить энергетические параметры группового сигнала, состоящего из ряда сигналов передачи сообщений первой группы.

С целью упрощения расчетов можно отказаться от нахождения и ограничившись нахождением W^N_МСЧ и сравнением ее с нормируемым максимально допустимым значением среднечасовой мощности сигнала для данного группового тракта.

            Для трактов с числом каналов 12 ≤ N < 300 допустима аппроксимация распределения средне минутных мощностей т₁ сигналов первой группы логарифмически нормальным законом, т. е. уровень мощности сигнала имеет нормальное распределение. Параметр распределения δ_z (W_N1) и максимальная средне минутная мощность W^N1_мсч определяются по формулам

требуемых значений, делается вывод о пригодности варианта загрузки.

1.7.6. МЕТОДИКИ СУММИРОВАНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ С                                РАЗЛИЧНЫМИ ВЕСОВЫМИ КОЭФФИЦИЕНТАМИ

1. 7.6. 1. МЕТОДИКА ОГРАНИЧЕНИЙ

            Сущность методики ограничений заключается в двухэтапном оценивании сравниваемых сетей связи. На первом этапе все сети проверяются на соответствие минимальным требованиям системы более высокого уровня иерархии (условно). Сети связи, не соответствующие этим требованиям, на втором этапе не рассматриваются. Второй этап заключается в определении наилучшей сети по одному важнейшему критерию.

            В качестве примера проведем оценку трех типов структур сетей телефонной связи по этой методике. Предположим, что для обслуживания абонентов необходима сеть телефонной связи, отвечающая требованиям, приведенным в табл. 1.8.

Очевидно, что основным функциональным назначением проектируемой сети связи является своевременная передача поступающих сообщений с требуемой безопасностью и достоверностью.

            В общем случае показателем своевременности связи является время установления соединения (t_уст ), определяемое временем ожидания

            Таким образом, оценивание производится не по показателю качества функционирования сети (пропускной способности, устойчивости, мобильности и др.), а по показателю качества связи: своевременности (внешнему показателю сети связи).

            На первом этапе оцениваются варианты сетей связи с точки зрения соответствия их характеристик заданным требованиям. Из табл. 1.8 видно, что сеть связи № 3 не удовлетворяет требованию по критерию количества обслуживающего персонала (L ≤ L^тр), поэтому для дальнейшего рассмотрения остаются сети связи №1 и № 2.

            На втором этапе сравниваются объекты по выбранному основному критерию (например, время ожидания абонентом соединения не должно превышать требуемое). В соответствии с этим критерием предпочтение отдается сети связи №2.

            Достоинство данной методики — исключительная простота, которая достигается за счет весьма приблизительной точности сравнения. Это обусловлено тем, что после первого этапа все объекты, отвечающие требованиям, ставятся в равные условия, хотя могут иметь существенные различия по частным показателям. Так, в нашем примере, предпочтение по времени ожидания в пять секунд сыграло решающую роль при сравнении сетей связи № 1 и № 2. Худшей была признана сеть связи №1, имеющая время ожидания всего на пять секунд больше, чем сеть связи № 2, но меньшие затраты по обслуживающему персоналу и количеству каналов. Очевидно, что по совокупности показателей сеть связи №2 уступает первой, но в соответствии с выбранным основным критерием ей отдается предпочтение. По этой причине методика ограничений самостоятельно применяется исключительно редко. Практически используется синтез двух методик: сначала выполняется первый этап методики ограничений, а затем объекты сравниваются с помощью методик расчета абсолютных или относительных показателей эффективности.

1. 7.6.2. МЕТОДИКА РАСЧЕТА АБСОЛЮ ИНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ                                ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СЕТЕЙ СВЯЗИ

            Абсолютный показатель эффективности функционирования сети связи (W^a_сс) является обобщенным и характеризуется тем, что его значение является абсолютной величиной, независимой от полезности или затратности составляющих его частных показателей (w_i):

где J — количество частных показателей эффективности, а_j. — средний весовой коэффициента j- го показателя, е_ij. — абсолютная величинам го частного показателя, у(е_ij)          — функция полезности или затратности j-гo частного показателя i-й сети, характеризующая степень его соответствия заданным требованиям.

            Выбор частных показателей должен осуществляться исходя из требований абонента, причем частные показатели должны иметь явный физический смысл. Для сети телефонной связи такими требованиями являются пропускная способность при заданном качестве обслуживания абонентов, надежность функционирования сети и ее элементов, мобильность (время изменения структуры сети связи и ее состояния), количество обслуживающего сеть персонала, качество разговорного тракта (разборчивость или артикуляция), своевременность передачи сообщения в сети. Два последних являются внешними, определяемыми старшей системой (абонентами), а остальные относятся к внутренним.

            В зависимости от типа сети связи и ее специфических особенностей этот перечень может быть скорректирован и расширен.

            Весовые коэффициенты частных показателей эффективности находятся путем статистической обработки мнений экспертов. Заключение при анализе сетей связи дает эксперт. Предполагается, что при проведении экспертного опроса мнение группы экспертов снижает субъективизм оценки. Тем не менее перед опросом следует подготовить вопросы, исключающие неоднозначность трактовки. Экспертам рекомендуется выставлять оценки в пределах от 0,01 до 1. Оценки сводятся в матрицу ||a_xy||, столбцы которой представляют совокупность оценок, выставленных одним из т экспертов, а строки соответствуют одному из n показателей:

            После этого для каждого показателя выбирается функция полезности (или затратности), значение которой лежит в пределах от нуля до единицы и зависит от удовлетворения требованиям, предъявляемым к сети по данному показателю эффективности. При составлении таких функций следует обратить внимание на их физический смысл. Например, показателем мобильности сети связи является время изменения ее структуры или состояния (t_изм ), которое требуется для выполнения необходимого комплекса мероприятий N_необх. Критерием оценки мобильности сети связи служит выражение, показывающее степень соответствия времени изменения ее структуры (состояния) установленному (допустимому) времени:

Значение этой функции изменяется в пределах от нуля до единицы и чем ближе значение t_изм к t_уст тем большее значение принимает данная функция, что не противоречит физическому смыслу описываемого процесса.

            Такие функции ограничивают разброс значений параметров, что обеспечивает равные условия учета каждого из рассматриваемых показателей эффективности. Элемент субъективизма вносят весовые коэффициенты, которые перемножаются на соответствующие значения функций (1.102). В теории сетей такой подход называют аддитивной сверткой.   Следует отметить, что элемент субъективизма в данном методе незначителен, так как опрос экспертов ведется не применительно к какой-либо из рассматриваемых сетей связи в частности, а производится сравнение сетей исходя из одних и тех же весовых коэффициентов. В результате вычислений для каждой из рассматриваемых сетей связи находится абсолютный показатель эффективности. Предпочтение отдается сети, у которой абсолютный показатель эффективности окажется выше.

1. 7.6.3. ТУРНИРНЫЙ МЕТОД ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ                                                                ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СЕТЕЙ СВЯЗИ

            Этот метод представляет собой процедуру установления предпочтения одной сети связи перед другими при их опарном сравнении. В отличие от методики оценки эффективности по абсолютным показателям, в которой осуществляется упорядочение всех сетей связи, парное сравнение сетей связи представляет собой более простую задачу. Сущность метода заключается в определении суммарного относительного «успеха» каждой из сравниваемых сетей связи:

Количество матриц успеха равно числу сравниваемых сетей связи z. Сумма (1.107) элементов каждой из матриц успеха (1.110) представляет собой относительный показатель эффективности функционирования одной из рассматриваемых сетей связи. Сеть, для которой числовые значения показателя эффективности получились наибольшими, считается наиболее эффективной.

            Достоинством турнирного метода является его относительная простота. К недостатку прежде всего следует отнести то, что, как и в предыдущей методике, наличие весовых коэффициентов накладывает отпечаток субъективизма на результаты оценки эффективности.

            Для более точной экспертной оценки необходимо учитывать коэффициент конкордации о, который позволяет оценить, насколько согласованы между собой ряды предпочтительности, построенные каждым экспертом. Значения коэффициента конкордации находятся в пределах 0 ≤ σ ≤ 1. Если σ = 0, то это означает полную противоположность мнений экспертов, а в случае σ = 1 говорят о совпадении мнений. На практике наиболее удачными являются оценки с коэффициентом конкордации, лежащим в пределах 0,7 ≤ σ ≤ 0,8.