Цифровизация – технологическая основа создания цифровых систем передачи и первых систем интегрального обслуживания

По своей природе многие сигналы (телефонные, факсимильные, телевизионные) являются аналоговыми (непрерывными по уровню и времени) В ходе эволюции систем электросвязи вместо аналоговых (непрерывных) сигналов для передачи и распределения информации все чаще стали применяться цифровые (дискретные) сигналы, которые до этого использовались преимущественно в системах обработки информации (ЭВМ, АСУ и т. п.). Процесс перехода с аналоговой формы представления информации на цифровую был назван цифровизацией.

Переход на цифровые технологии передачи и распределения информации оказал огромное влияние на развитие связи, что обусловлено рядом причин. Во-первых, цифровой сигнал позволил создать помехоустойчивую связь, поскольку сигнал «0» и сигнал «1» легко регенерировать (восстанавливать), не в пример искаженному помехами аналоговому сигналу. Во-вторых, цифровизация дала возможность использовать дискретную логику, микросхемы и т. д., что способствовало и продолжает способствовать микроминиатюризации оборудования связи в целом. В-третьих, применение унифицированной цифровой элементной базы позволило строить функциональные узлы систем передачи и систем коммутации на единых организационно-технических принципах. Предпосылок к созданию универсальных систем передачи, коммутации и других элементов связи было много: переносчиком сообщений различной физической природы являлся электрический ток, процессы передачи сообщений имели одинаковые этапы (преобразование сообщения в электрический сигнал, модуляция, усиление), системы различных видов связи содержали много одинаковых элементов (преобразователи частоты, фильтры, усилители и т.д.).

Под цифровизацией в широком смысле понимается процесс внедрения цифровых систем передачи (ЦСП) – на уровне первичных сетей, средств коммутации и управления, обеспечивающих передачу и распределение потоков информации в цифровом виде – на уровне вторичных сетей. Процесс цифровизации в перечисленном оборудовании не был одновременным.

Применять цифровые методы к обработке и передаче аналоговых сигналов в системах передачи стали раньше, чем в системах коммутации, и произошло это в середине XX века. Был использован принцип аналого-цифрового преобразования (АЦП) на основе импульсно-кодовой модуляции (ИКМ), основанный на дискретизации аналогового сигнала во времени, квантовании по уровню (амплитуде) и кодировании.

ЦСП строились по иерархическому принципу. В рекомендациях МСЭ представлено два типа иерархий ЦСП: плезиохронная цифровая иерархия (англ. PDH - Plesiochronous Digital Hierarchy) применялась в первых ЦСП на базе ИКМ, начиная с 1960-х гг. ) и синхронная цифровая иерархия (англ. SDH — Synchronous Digital Hierarchy) применялась в более позднем оборудовании транспортных сетей. Иерархический принцип заключался в том, что число каналов ЦСП, соответствующее данной ступени иерархии, было больше числа каналов ЦСП предыдущей ступени в целое число раз, т.е. последующий уровень строился на основе n-числа каналов предыдущего уровня.

Для плезиохронных ЦСП первичным сигналом являлся цифровой поток со скоростью передачи 64 кбит/с, называемый основным цифровым каналом (ОЦК). Первичный цифровой канал E1 обеспечивал скорость передачи 2048 кбит/с, объединяя 32 канала ОЦК (из них 30 - для передачи информации, 1 - для цикловой синхронизации, 1 – для сигнализации). Кроме того, различали: вторичный цифровой канал E2 (120 каналов ОЦК для передачи информации, скорость передачи 8448 кбит/с), третичный цифровой канал E3 (480 каналов ОЦК для передачи информации, скорость передачи 34368 кбит/с) и четверичный цифровой канал E4 (1920 каналов ОЦК для передачи информации, скорость передачи 139246 кбит/с). В ЦСП для передачи нескольких цифровых потоков по одной линии связи применялось временное мультиплексирование (временное объединение/разделение каналов). Для получения второй ступени иерархии Е2 необходимо было объединить 4 Е1, для получения третьей ступени иерархии Е3 необходимо было объединить 4 Е2, для получения четвертой ступени иерархии Е4 необходимо было объединить 4 Е3.

В стандарте SDH все уровни скоростей (и, соответственно, форматы кадров для этих уровней) имеют общее название: Synchronous Transport Module level N (STM-N). Поддерживаемая технологией SDH иерархия скоростей: 155,520 Мбит/с (STM–1); 466,560 Мбит/с (STM–3); 622,080 Мбит/с (STM–4); 933,120 Мбит/с (STM–6); 1,244 Гбит/с (STM–8); 1,866 Гбит/с (STM–12); 2,448 Гбит/с (STM–16). Схемы мультиплексирования SDH гибкие и предоставляют разнообразные возможности по объединению пользовательских потоков PDH. Например, для кадра STM-1 можно реализовать такие варианты: 1 поток E4; 63 потока E1; 1 поток E3 и 42 потока E1.

Таким образом динамика развития в направлении цифровизации прежде всего оказалась связана с созданием и совершенствованием транспортных технологий плезиохронной и синхронной цифровых иерархий. Причем, если PDH была ориентирована на передачу речи (каналы ОЦК), а первые поколения оборудования SDH на транспортирование информационных структур PDH, то более позднее оборудование SDH позволяло транспортировать в том числе и данные, предварительно размещаемые в ячейках АТМ и кадрах Ethernet. Таким образом, с появлением в 1960-х гг. первых цифровых систем передачи на базе ИКМ начала создаваться единая транспортная среда для первичных сетей, предназначенная для передачи разных видов связи. Насущной проблемой оставалась цифровизация процессов коммутации и интеграция предоставляемых услуг, так назрела объективная необходимость объединения на каждом сетевом узле (станции) коммутационных систем различных видов связи в интегрированные системы распределения разнородной информации. Одновременно начались работы по поиску возможностей предоставления всех видов связи пользователю по одной абонентской линии (АЛ), т.к. с ростом числа сервисов связи стала ясна нецелесообразность прокладки пользователю нескольких специализированных АЛ (телефонной, ПД, кабельного телевидения и др.). Значительный прогресс в этом направлении наметился в 1970-х гг., когда были достигнуты успехи в разработке теории цифровых методов передачи, обработки и распределения информации, а также в создании соответствующей элементной базы.

Начало объединению коммутационных систем различных видов связи в интегрированные системы распределения разнородной информации положили цифровые сети с интеграцией обслуживания ЦСИО (англ. Integrated Services Digital Network ISDN). В конце 1970-х гг. с развитием информационных технологий у пользователей стали формироваться потребности в расширении набора предоставляемых им услуг. Кроме традиционных услуг телефонной связи востребованными стали услуги передачи данных и телематических служб. В начале 1980-х гг. появилась идея интеграции услуг связи на уровне доступа с доведением цифрового потока до абонентской установки. В реализации такой интеграции были заинтересованы как абоненты, так и операторы связи. Абонентам это позволяло уменьшить число абонентских линий доступа к услугам, следовательно, и эксплуатационные расходы. Операторы связи предполагали, что возможности универсального доступа к услугам привлекут новых абонентов как делового, так и квартирного сектора.

Привлекательность ISDN заключалась в возможности одновременного обмена речью, текстом, данными и подвижным изображением по стандартным аналоговым телефонным линиям с более высокими скоростями передачи, чем у обычным модемов. Отличительными особенностями ISDN стали: сигнализация по общему каналу между АТС, канал сигнализации между абонентом и АТС и доступ к сети ISDN с двумя одновременно используемыми каналами передачи речи и данных. Разработка и стандартизация концепции интеграции сетей доступа была завершена МСЭ-Т в середине 1980-х гг., после чего началось строительство ISDN. В начале 1990-х гг. практически все экономически развитые страны мира уже эксплуатировали ISDN, которые стали называть узкополосными в отличие от широкополосных, позволяющих приступили достичь еще более высокого использования ресурсов сети. В основу концепции широкополосных ISDN была положена технология ATM (Asynchronous Transfer mode), позволяющая обеспечить высокоскоростную коммутацию и передачу информационных потоков самых различных видов (речь, ауди и видео, данные и т.д.) с гарантированным качеством. Предполагалось, что будет создана однородная транспортная инфраструктура распределения информации от терминалов любых служб, работающих со скоростями от 64 Кбит/с до 150 Мбит/с. Но в конце 1980-х гг. к этому проекту потеряли интерес и разработчики в МСЭ, и производители телекоммуникационного оборудования, так как обширные маркетинговые исследования засвидетельствовали отсутствие достаточного спроса на универсальные широкополосные услуги со стороны потребителей. С середины 1990-х гг. стало меняться представление о способах построения широкополосных сетей связи, а также наметился переход от концепции создания массовых универсальных служб к услугам и приложениям, удовлетворяющим потребности отдельных групп и категорий пользователей. К оборудованию связи стали предъявляться более жесткие требования по персонализации поддерживаемых услуг. Отсутствие персонализации стало причиной того, что для потребителей услуг связи и общества в целом цифровая революция, начавшаяся во всем мире в 1960-х гг. и закончившаяся в кон.1980-х гг., прошла, практически, незамеченной.

Для специалистов переход преимущественно на цифровые технологии передачи и распределения информации обусловил значительные изменения в системно-техническом облике и архитектуре сетей связи во всем мире. Это, в свою очередь, привело к дальнейшему развитию теории и практики построения телекоммуникационных систем (сетей).

1.1.5. Модель телекоммуникационной системы, рекомендованная МСЭ‑Т

Иерархическая модель и соответствующая терминология, включающая понятия первичной и вторичной сети, была разработана и применялась в нашей стране сначала в рамках ЕАСС, потом в ВСС вплоть до 2004 года. В течение нескольких десятков лет эта модель достоверно отображала архитектуру телекоммуникационных сетей соответствующего этапа развития, для которого была характерна дифференциация сетей по виду связи и преобладание аналогового оборудования. На западе, где цифровизация оборудования практически завершилась к концу 1970-х – началу 1980-х гг., интеграционные сетевые процессы начались намного раньше, чем в нашей стране. Поэтому иерархическая сетевая структура для зарубежной связи не имела смысла, и там для анализа телекоммуникационной системы любого вида использовали модель «доступ – транспорт», предложенную МСЭ.

Переход от аналоговой аппаратуры к цифровой, происходящий в нашей стране позднее, чем в западных промышленно развитых странах, положил начало постепенному переходу от иерархической модели МСЭ-Т к плоскостной (планарной), именуемой «доступ – транспорт».

Рис. 1.2. Эволюция от трехуровневой модели ВСС к плоскостной модели МСЭ-Т «доступ-транспорт»

На рис. 1.2 показана эволюция архитектуры сети от трехуровневой модели к плоскостной. Транспортной является та часть сети связи, которая выполняет функции переноса (транспортирования) потоков сообщений от их источников из одной сети доступа к получателям сообщений другой сети доступа путем распределения этих потоков между сетями доступа. Сетью доступа сети связи является та ее часть, которая связывает источник (приемник) сообщений с узлом доступа, являющимся граничным между сетью доступа и транспортной сетью.

В иностранной литературе часто используется другая интерпретация «плоскостной модели» в виде схемы, представленной на рис.1.3.

Рис.1.3.Модель телекоммуникационной системы, предложенная МСЭ

В этой модели наименование основной части сети лишено каких-либо качественных признаков и именуется как «сердецевинная» (базовая сеть) сеть. По сути это транспортная (транзитная) сеть, функции которой состоят в установлении соединений между терминалами, включенными в различные сети абонентского доступа, или между терминалом и средствами поддержки каких-либо услуг. Особое внимание, следует обратить на то, что и трехуровневая модель, и плоскостная модель, и ее разновидность, представленная на рис.3, являются функциональными и не отражают географические аспекты построения сетей связи. Базовая сеть может покрывать территорию, лежащую как в пределах одного города или села, так и между сетями абонентского доступа двух различных стран. К началу XXI в. базовые (транспортные) сети, как в России, так и за рубежом находились на разных уровнях развития, хотя представление о перспективных технологиях было единое, сформированное МСЭ. Для транспортных сетей перспективным считалось использование в качестве среды передачи оптического волокна, транспортных технологий – системы синхронной цифровой иерархии SDH, спектрального уплотнения WDM, пакетных технологий (ATM, IP, Ethernet).

Первый элемент в модели телекоммуникационной системы представленной на рис.1.3 – это совокупность оконечного (терминального) и иного оборудования, которое устанавливается в помещении абонента (пользователя). В англоязычной технической литературе этот элемент соответствует термину Customer Premises Equipment (CPE). В зависимости от того, какая система связи (аналоговая или цифровая) используется, терминальным оборудованием являются телефонные аппараты с импульсным или тональным набором; цифровые телефонные аппараты; многофункциональные аппараты; ПК; факсы; интерфейсные платы; видеокамеры; автоматические датчики из состава контрольно-измерительного оборудования, считыватели RFID меток и другое оборудование.

Второй элемент в модели телекоммуникационной системы представленной на рис.1.3 – это сеть абонентского доступа. Ее роль состоит в том, чтобы обеспечить взаимодействие между оборудованием, установленным в помещении абонента, и базовой сетью. Наиболее часто устанавливаемое оборудование в точке сопряжения сети абонентского доступа с базовой сетью – это коммутационная станция. Пространство, покрываемое сетью абонентского доступа, лежит между оборудованием, размещенным в помещении абонента, и этой коммутационной станцией. В ряде случаев сеть абонентского доступа делится на два участка: абонентские линии АЛ (Loop Network), которые рассматриваются как индивидуальные средства подключения терминального оборудования, и сеть переноса (Transfer Network), реализуемую на базе систем передачи с применением устройств концентрации нагрузки. На уровне доступа в кон. XX – нач. XXI вв. наиболее популярные технологии – это ISDN-доступ, множество разновидностей xDSL, PON; нельзя не упомянуть также модемный низкоскоростной доступ по протоколу dial-up, который в начале XXI в. еще можно было встретить во многих домах не только России, но и за рубежом.

Последний элемент в модели телекоммуникационной системы представленной на рис.1.3 – это узлы, поддерживающие доступ к различным услугам электросвязи (Service Nodes). Примером таких узлов могут быть рабочие места телефонистов-операторов и серверы, в которых хранится информация.

Революционные достижения последних десятилетий XX века в области микроэлектроники, вычислительной техники, оптических и квантовых технологий позволили создать принципиально новые устройства обработки, передачи и хранения информации (микросхемы сверхвысокого уровня интеграции, процессоры, запоминающие устройства, и многое др.). Они послужили толчком к стремительному развитию современных ИКТ, совершенствованию средств связи, средств обработки, хранения и распределения информации. Развитие информационных технологий наряду с описанным выше процессом интеграции первичных и вторичных сетей и их эволюцией в направлении создания единой мультисервисной сети с предоставлением широкого спектра услуг потребителям привело к серьезным изменениям в понимании сущности, методов построения и путей развития сетей, которые стали инфокоммуникационными (ИКС).

Процесс превращения телекоммуникационных сетей в ИКС происходил постепенно на фоне интеллектуализации традиционных сетей, выразившейся в проникновении в связь компьютерных технологий, увеличении доли программируемых компонентов в аппаратуре, возрастании роли программного обеспечения, как в аппаратуре, так и в сети в целом, компьютеризации абонентских терминалов. Развитие информационных технологий на уровне пользователей привело к расширению спектра предоставляемых услуг. При формировании новых услуг (например, таких, как доступ к базам данных или организация видеоконференции) клиентская часть сети размещалась в оборудовании пользователя, а серверная – на специальном выделенном узле сети, называемом узлом служб.

Отличие инфокоммуникационных услуг от услуг традиционных сетей связи наглядно видно, если обратиться к еще одной модели, представляющей собой широко распространенный метод описания сетевых сред. Это так называемые «открытые сети» с семиуровневыми протоколами взаимодействия абонент - сети - абонент. В 1984 г. Международной Организацией по Стандартизации (International Standard Organization, ISO) была разработана модель взаимодействия открытых систем (Open Systems Interconnection, OSI). Являясь многоуровневой системой, она отражает взаимодействие программного и аппаратного обеспечения при осуществлении сеанса связи. Большинство инфокоммуникационных услуг оказываются на верхних уровнях модели ВОС (в то время как услуги связи предоставляются на нижних уровнях ВОС: физическом (первом), канальном (втором) и сетевом (третьем) уровне.

Таким образом, к концу XX века, в условиях, когда трафик данных во всем мире стал постоянно превышать голосовой трафик, развитие телекоммуникационных систем пошло по пути конвергенции сетей, оконечных услуг пользователей и услуг, что нашло выражение в создании мультисервисных сетей. Для передачи изображений, в том числе телевизионных, интеграции различных видов информации в мультимедийных приложениях, организации связи локальных, городских и территориальных сетей необходимо было внедрять новые технологии, обеспечивающие повышенные скорости передачи информации. К решению задачи глобализации сети посредством мобильной связи (предоставлению услуг связи каждому в любое время и в любом месте) приближали успехи в области микроминиатюризации электронных устройств, снижение их стоимости.

Для нашей страны путь перестройки сетей был непростым: от различных поколений связного оборудования, включающего, например и морально устаревшие декадно-шаговые, координатные АТС, и не столь перспективные (как это казалось ранее) цифровые АТС до пакетных технологий и реализации в сетях мультисервисности.

Оценивая потребности создаваемой глобальной информационной инфраструктуры (ГИИ), международное сообщество связистов было заинтересовано в построении таких сетей связи, которые бы поддерживали непрерывный контроль процессов обработки вызовов клиента и предоставления услуг по одним и тем же правилам, гарантирующим запрошенный уровень качества обслуживания, независимо от способов транспортировки данных и видов используемого оборудования.