вроде лекции / Введение в курс ЦСК и сетей связи (установочная лекция)

Введение в курс «Цифровые системы коммутации и сети связи»

Данный курс посвящен рассмотрению общих принципов построения цифровой системы коммутации и сетям связи, что в общем-то понятно и из его названия. Однако, перед началом рассмотрения, я скажу пару слов о том, в каком разрезе будет вестись данный курс.

Сперва пару слов о сетях связи. В последнее время широкое развитие получили современные мультимедийные мобильные и стационарные сети связи. Возможно кратко перечислить их основные типы:

• Сети сотовой мобильной связи общего пользования (ССПСОП) стандарта GSM 3-4 поколения;

• Сети сотовой мобильной связи нового поколения (NGN);

• Сети фиксированной мобильной связи нового поколения (NGN);

• Интеллектуальная сеть.

• Сеть мультимедийной подсистемы Интернет (IMSInternetMultimediaSubsystem)

• Городская телефонная сеть общего пользованияc 7-и значной нумерацией и узлами исходящих и входящих сообщений;

• Городская телефонная сеть общего пользования с 6-и значной нумерацией и узлами входящих сообщений.

• Городская телефонная сеть связи без узлообразования.

• Сельская телефонная сеть.

• Междугородняя телефонная сеть;

• Международная телефонная сеть;

• Местные, междугородние и международные сети системы общеканальной сигнализации ОКС 7.

• Сеть спутниковой связи;

• Сеть радиорелейной связи;

• Сеть радиотелефонной связи стандарта DECT.

Если пойти по курсу линейного изложения особенностей построения, функционального состава основных компонент перечисленных выше сетей, то не хватит и четырех семестров, а то и больше. Причем к завершению курса он уже наверное устарел бы, а сам курс базировался бы на описании технологических платформ 10 – 15 летней давности, которые производители оборудования уже сменили. Кроме того, построение аналогичных типов сетей (например,NGN) и даже их понимание у различных производителей может сильно различаться.

При этом обновился бы и сам функционал сетей, а многие сетевые элементы и пользовательские процедуры потеряли свою актуальность.

Исходя из вышеизложенного, более актуальным представляется пойти по другому пути изложения материала, не ориентированному на какую-то определенную технологию, производителя и протоколы связи (систем межстанционной сигнализации и сигнализации на участке абонентского доступа от ТА до АК на АТС) и рассмотреть общие принципы построения следующих типов сетей:

• Вторичная коммутируемая сеть связи. Общие принципы построения цифровых систем коммутации на примере цифровой АТС фирмы NokiaDX-200.

• Коммутация пакетов на канальном уровне стека протокола Интернет (Ethernet).

• Построение сети сигнализации ОКС 7, основные логические элементы подсистем системы ОКС 7, а именно,MTP 2,MTP 3,SCCP, TCAP. Приводится формат сигнальных сообщений, начиная от прикладного (задачного) уровня модели ВОС и заканчивая сетевым (MTP 3,SCCP) канальным уровнем.

• Первичная транспортная сеть связи. Рассматриваются основные принципы построения сетей связи стандартов PDH и SDH, а также методы кросс-коммутации.

При подготовке данного курса была использована следующая литература, которая приведена ниже с краткими аннотациями:

1. Гольдштейн Б.С. Системы коммутации: Учебник для вузов. 2-е издание – Спб.: БХВ – Санкт-Петербург, 2004. – 314 c.: ил.

Данный учебник предназначен для студентов телекоммуникационных университетов и других высших учебных заведений, обучающихся по специальности 200900 – «Сети связи и системы коммутации», а также по специальностям 201000 – «Многоканальные телекоммуникационные системы» и 550400 – «Телекоммуникации». Может быть полезен работникам научно-исследовательских, проектных и эксплуатационных организаций, занимающимся коммутационными узлами и станциями, а также широкому кругу специалистов, интересующихся теорией автоматической коммутации каналов и практикой применения АТС разных поколений.

2. Гольдштейн Б.С. Сигнализация на сетях связи. – М.: Радио и связь, 1997. – 423 c.: ил.

В книге систематизирован и изложен с единых позиций широкий спектр вопросов протоколов сигнализации телефонных сетей.

Приведен ориентированный на язык SDLметод анализа, позволяющий сравнительно просто описать специфические особенности систем сигнализации и процедур обслуживания вызовов, а также необходимые для проектирования спецификации и сценарии.

3. Гольдштейн Б.С., Пинчук А.В., Суховицкий А.Л. IP-Телефония. – М.:Радио и связь, 2001. – 336 c.: ил.

Книга посвящена новой и перспективной технологии IPтелефонии. Рассматриваются системно-сетевые аспекты IP-телефонии, методы и алгоритмы кодирования речевой информации, основные подходы и протоколы H.323, SIP, MGCP, MEGACO, вопросы качества обслуживания QoS, аспекты реализации оборудования IPтелефонии и его тестирования.

4. Иванова О.Н., Копп М.Ф., Коханова З.С., Метельский Г.Б., Автоматические системы коммутации. Под ред. О.Н. Ивановой – 2-е изд., дополненное и переработанное – М.: Связь, 1978. – 624 c., ил.

Излагаются физические основы телефонии, принцип автоматической коммутации, способы построения управляющих устройств и методы передачи линейных и управляющих сигналов. Рассматриваются декадно-шаговые, координатные, квазиэлектронные и электронные АТС.

5. Лутов М.Ф., Жарков М.А., Юнаков П.А., Квазиэлектронные и электронные АТС. –М.: Радио и связь, 1982. – 264 c., ил.

Излагаются принципы построения коммутационных полей, устройств управления и электропитания квазиэлектронных и электронных АТС. Рассматривается программное обеспечение этих АТС. Описываются способы передачи сигналов между электронными и существующими станциями, а также между электронными АТС. Излагаются принципы построения общего канала сигнализации и общих каналов управления. Приводятся схемы построения телефонных сетей с использованием АТС с программным управлением.

6. Слепов Н.Н. Синхронные цифровые сети SDH, ЭКО-ТРЕНДЗ, Москва, 1998 г.

В книге изложены базовые принципы и технологии синхронных цифровых сетей SDH: мультиплексирование потоков данных, ИКМ, иерархии скоростей. Рассмотрены архитектура, топологии, структура линейных, радиально-кольцевых, разветвленных сетей SDH.

Описаны функциональные модули: мультиплексоры, концентраторы, регенераторы, коммутаторы, реализации мультиплексоров STM-1, STM-4, STM-4/16. Приведены анализ и сравнение оборудования SDHразличных производителей. Особое внимание уделено стандартизации в сетях SDHна базе стандартов серии G.7xx. Подробно рассмотрены принципы управления SDHсетями: функционирование, администрирование, обслуживание.

7. Аваков Р.А., Исаев В.И.Основы построения электронных систем коммутации, 1988 год.

8. Аваков Р.А., Шилов О.С., Исаев В.И. Основы автоматической коммутации.М.: Радио и связь, 1981 г.

Рассматриваются физические основы телефонии, общие принципы построения современных и перспективных АТС и методы расчета их оборудование. Излагаются вопросы организации и построения общегосударственной автоматически коммутируемой телефонной сети.

9. Сэм Хелеви и Денни Мак-Ферсон, Принципы маршрутизации в Интернет, 2-е издание, Издательский дом Вильямс, 2001 г., - 448 c.: ил – парал. Тит.Англ. ISBN 5 – 8459 – 0188 – x (рус.).

В книге рассмотрены системы адресации, маршрутизации и способы организации соединений в сети Internet на практических примерах. В книге такжеосвещается широкий круг теоретических понятий и принципов организации маршрутизации в сети Internet с использованием протокола граничного шлюза (Border Gateway Protocol—BGP).

После знакомства с этой книгой вы будете способны самостоятельно строить свою сеть и планировать ее развитие. Независимо от того являетесь ли вы потребителем услуг Internet или же вы сами предоставляете услуги этой сети (т.е. вы являетесь сервис провайдером Internet), в этой книге вы найдете ответы на любые вопросы, касающиесямаршрутизации в сетях на основе протокола TCP/IP.

10. CCNA : Cisco Certified Network Associate Study Guide, 5-th Edition.

Данное руководство издано фирмой Ciscoдля подготовки к сертификационному экзамену CCNA.

11. Краткий обзор рекомендацийITU-T системы общеканальной сигнализации ОКС 7.

1. Введение в ОКС-7	Q.700
2. МТР Подсистема передачи сообщений	Q.701-Q.704, Q.706, Q.707
3. Структура сети сигнализации ОКС№ 7	Q.705
4. Подсистема управления соединениями сигнализации (SCCP)	Q.711-Q.714, Q.716
5. Подсистема пользователей телефонии (TUP)	Q.721-Q.725
6.Эксплуатация и техническое обслуживание сети ОКС №7 (OMAP)	Q.750, Q.752-Q.755
7. Подсистема пользователей ISDN (ISUP)	Q.761-Q.764, Q.766,Q.767
8. Подсистема транзакционных возможностей (TCAP)	Q.771-Q.775
9. Процедуры тестированияподсистем ОКС 7 MTP,TUP,ISUP,SCCP,TCAP	Q.780-Q.787
10. MAP Подсистема мобильной сети	Q.1051 – Q.1063,
11. INAP Подсистема интеллектуальной сети	Q.1205,Q1208, Q.1211, Q.1218, Q.1213-Q.1215, Q.1219, Q.1290
12. Соответствие ОКС-7 и модели OSI	Q.1400

Рекомендации ITU-T (телекоммуникации) расположены по адресу:

http://www.itu.int/en/ITU-T/publications/Pages/recs.aspx

В нижней части страницы расположена гиперссылка на рекомендации серииQ: «Q» - «Switching and signaling, and associated measurements and tests».Переход по данной гиперссылке дает выход на рекомендации ITU-Tсерии Q, в частности, «Q.700 – Q.799: Specifications of Signalling System № 7».

Соответствующая страница Web сайта ITU-Tрасположена по адресу:

http://www.itu.int/itu-t/recommendations/index.aspx?ser=Q

Приблизительный план лекций по дисциплинам «цифровые системы коммутации» и «системы коммутации и сети связи»:

1. Установочная лекция. Введение в курс лекций по дисциплинам «цифровые системы коммутации и системы коммутации и сети связи».

2. Общие сведения о ЦСК на примере ЭАТС-200.

3. Оконечное оборудование ЦСК в части прикладной системы (абонентские комплекты и комплекты соединительных линий).

4. Программное обеспечение ЭАТС, принципы организации взаимосвязи управляющих устройств с децентрализованным управлением.

5. Установление и разъединение внутристанционного соединения в ЭАТС-200.

6. Принципы построения ГТС, структура СТС. Эволюция сетей связи.

7. Принципы и организация коммутации в сети с коммутацией пакетов стека протоколов Интернет.

8. Организация первичной транспортной сети на базе цифровой аппаратуры уплотнения синхронной цифровой иерархии SDH (STM 1 ÷STM 4).

9. Общие сведения по организации сети сигнализации по общему каналу. Структура сигнальных единиц и их назначение. Подсистема передачи сообщений на канальном уровне ОКС 7 (MTP2);

10. Общие сведения по подсистеме передачи сообщений ОКС 7 на сетевом уровне (MTP 3). Назначение подсистемы управления соединениями сигнализации (SCCP).

11. Общие сведения по прикладной подсистеме транзакционных возможностей ОКС 7 (TCAP). Рассмотрение процедур управление транзакциями и компонентами. Не ориентированный на соединение режим сигнализации.

12. Базовый вызов подсистемы пользователей ISDN(ISUPОКС 7). Особенности процедур сигнализацииISUP, ОКС 7.

Цифровая телефония

Основы цифровой телефонии основательно изложены в работе [1], на базе которой мы построим данную лекцию. В аналоговых системах коммутации физических каналов каждому соединению предоставляется своя физическая линия (электрическая цепь). При цифровой коммутации носителем информации является не амплитуда передаваемого по линии электрического сигнала, а временная последовательность импульсов, т.е. временной канал, определяемый пространственной и временной координатами.

В данных лекциях рассматриваются основные принципы цифровой коммутации, применимые к цифровым АТС,Ethernet-коммутаторы, шлюзы, PDH/SDH мультиплексоры, концентраторы, конверторы, шлюзы, а также другие устройства, обеспечивающие коммутацию каналов/пакетов и перенос информации в цифровом виде.

К приведенному выше перечню следует добавить источники передачи информации, к которым, наряду с телефонными аппаратами, относятся устройства передачи данных, терминалы ISDN, компьютеры, факсы, видеокамеры, сканеры и т.п. В качестве приемников информации могут выступать, например, видеомониторы и принтеры.

Появление цифровых систем коммутации во многом обусловили реализация на сети телекоммуникаций таких типов устройств, как

• Кодеки, необходимые для преобразования аналогового сигнала в цифровой;

• Модемы, предназначенные для преобразования цифрового сигнала в аналоговый;

• Развитие технологий цифровизации многоканальной электросвязи, а именно, появление систем передачи ИКМ плезиохронной (PDH) исинхронной (SDH) иерархии.

Суть цифровизации заключается в том, что исходный аналоговый электрический сигнал может быть воспроизведен из соответствующей последовательности дискретных значений его амплитуды (отсчетов). Число отсчетов в секунду называется частотой дискретизации. Теорема Котельникова гласит, что аналоговый сигнал можно правильно восстановить, если частота дискретизации вдвое превышает частоту сигнала. Именно на ней и на теореме Найквиста [1], доказанной Гарри Найквистом в 1928 году, и устанавливается тот факт, что, если частота выборки fsпревышает не менее чем вдвое самую высокочастотную составляющую аналогового сигнала fa, то первоначальный аналоговый сигнал полностью описывается только с помощью моментальных выборок, основывается импульсно-кодовая модуляция (ИКМ). Эта минимальная частота выборки иногда называется частотой Найквиста.

Другими словами, устройство дискретизации «вырезает» из первоначального аналогового сигнала x(t) короткие выборочные импульсы, образуя последовательность мгновенных значений амплитуды – дискретизированный во времени сигнал y(t) с частотой следования импульсов fs. Этот процесс известен как амплитудно-импульсная модуляция (АИМ) и иллюстрируется на приведенной ниже диаграмме.

ИКМ кодирование аналогового сигнала речи и его восстановление

Полученный таким образом сигнал y(t)представляет хотя и дискретные во времени, но тем не менее,аналоговые значения амплитуды первоначального сигнала x(t). Для того, чтобы передавать эти выборочные значения в цифровой форме, требуется их квантование: значение каждой амплитуды округляется до ближайшего числа из некоторого конечного набора фиксированных чисел (уровней квантования), и в результате получается сигнал z(t),дискретизированный по амплитуде.

На приведенной диаграмме «ИКМ кодирование аналогового сигнала речи и его восстановление » представлены исходный сигнал, дискретный во времени сигнал, полученный из исходного и сигнал, полученный после квантования и представляющий собой дискретную во времени последовательность дискретных амплитуд.

Заметим, что при квантовании значения амплитуды исходного сигнала утрачиваются вследствие округления, поэтому этот сигнал уже не может быть восстановлен точно (потеря точности выражается в так называемых шумах квантования).

Последнее преобразование заключается в представлении пронумерованных, например, в порядке возрастания уровней квантования в двоичной форме. Таким образом, каждый номер представляется в виде двоичного кодового слова, в результате чего сигнал z(t) превращается в последовательность n-битовых слов, т.е. становится цифровым. Все это вместе и есть импульсно-кодовая модуляция (ИКМ).

Очевидно, чем больше уровней квантования, тем лучшую характеристику будет иметь восстановленный сигнал. Например, для речевых сигналов ИКМ достаточно иметь 256 уровней (8-битовые двоичные слова), но при кодировании музыки в CDплейерах для получения удовлетворительной характеристики требуется 65536 уровней (16-битовые двоичные слова). Чем лучше качество нам требуется, тем в большем количестве уровней квантования мы нуждаемся, и тем более длинными должны быть кодовые слова, что естественно, приводит к необходимости передавать биты с более высокой скоростью. Скорость передачи битов должна быть настолько высока, чтобы цифровое слово, несущее предыдущее дискретное значение амплитуды сигнала, оказалось переданным до того, как появится следующее слово готовое к передаче. Поэтому для каждой системы приходится искать определенный компромисс между качеством и скоростью передачи информации.

Аналоговый речевой сигнал в телефонии занимает диапазон частот шириной до 4000 Гц и требует производить отсчеты амплитуды 8000 раз в секунду, т.е. частота дискретизации составляет 8 кГц. При квантовании отсчетов используется 256 стандартных амплитуд, которые потом кодируются 8-разрядными двоичными словами. Затем эти слова передаются в соответствующих временных интервалах, а на приемной стороне выполняется обратный процесс приближенного восстановления исходного аналогового речевого сигнала. Частота отсчетов 8 кГц и 8-и битовая схема кодирования дают очень хорошее качество речи, достигаемое за счет довольно высоких требований к скорости передачи битов. Меньшая частота отсчетов и/или меньшая разрядность кодирования (например, 7-битовая схема кодирования) дают менее гладкий и менее точно восстановленный речевой сигнал.

Таким образом, результат каждого отсчета представляется одним байтом, в результате чего имеем8000 байтов в секунду и 8 битов в каждом байте. Скорость потока данных, передающего человеческую речь составляет 64 Кбит/c.

Поскольку ИКМ была первой стандартной технологией, получившей широкое применение в цифровых системах передачи, пропускная способность канала, равная 64 Кбит/c, стала всемирным стандартом для цифровых сетей всех видов. Все сегодняшние цифровые линии имеют пропускную способность равную 64 Кбит/c, либо кратную этой величине. Например, пропускная способность цифрового тракта E1 составляет 2,048 Мбит/c, что эквивалентно 32 каналам по 64 Кбит/с каждый (отметим сразу, что для передачи информации пользователей обычно используется 30 каналов, а остальные два служат для синхронизации, контроля и сигнализации). Обозначение E1 стало общепринятым для европейского стандарта тракта 2,048 Мбит/c.

Технология ИКМ, базирующаяся на математических результатах Найквиста и Котельникова, представляет собой сегодня наиболее общий метод преобразования аналоговых речевых сигналов в цифровую форму.

Существующие технологии цифровой обработки сигналов представляют много более действенных способов кодирования, позволяющих добиться лучшего качества при аналогичной скорости передачи бит или равноценного качества при более низкой скорости передачи. Сегодня существуют и используются более сложные схемы кодирования. Например, телефоны ISDNмогут передавать высококачественную речь в диапазоне 7 кГц с той же скоростью 64 Кбит/c. Другой пример – это широко распространенная технология мобильной связи GSM.

В ряде ведомственных сетей уже давно применяют более эффективные системы кодирования, такие как АДИКМ. Поясним, что АДИКМ поддерживает передачу речи с «телефонным» качеством на скорости 32 Кбит/c, обеспечивая тем самым более эффективное использование имеющейся полосы пропускания. Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (ДИКМ) эффективнее, чем ИКМ, поскольку она предусматривает кодирование только изменений уровня сигнала. Основываясь на предположении, что изменение амплитуды речевого сигнала происходит относительно медленно, для представления каждого отсчета можно использовать меньше битов. В ДИКМ обычно используют 4 бита, что дает коэффициент сжатия 2:1. Такой уровень компрессии позволяет иметь в тракте E1 64 канала по 32 Кбит/с вместо 32 каналов по 64 Кбит/cв стандарте ИКМ. ДИКМ обычно обеспечивает качество речи, сравнимое с ИКМ.

Адаптивная дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (ДИКМ)улучшает качество ДИКМ, причем без увеличения количества необходимых битов, а благодаря увеличению диапазона изменений сигнала, которые можно 4-битовой величиной. Но поскольку АДИКМ не согласуется с АТС на базе ИКМ, то, чтобы ввести два сжатых до 32 Кбит/cразговора в один канал ИКМ, необходимо специальное оборудование– мультиплексор компрессии битов.

Как описывается в работе [1] АДИКМ не единственная технология, появившаяся в результате непрекращающихся экспериментов производителей средств телефонии с теоремой Котельникова. Одно из предложенных ими направлений – уменьшить точность, с которой уровни квантования соответствуют амплитудам исходного сигнала в точках отсчета, в результате чего для кодирования вместо восьми бит требуется всего 6 или 7 битов.

Еще одно направление основано на предположении, что в обычной человеческой речи существуют прогнозируемые паузы: в эти паузы с помощью техники, известной как подавление молчания,вводятся дополнительные разговорные сигналы. Применяются также разные варианты метода квантования, которые пока не являются общепринятыми или широко используемыми в коммутационных узлах и станциях. В число этих вариантов входят варьируемый уровень квантования (VQL) – коэффициент компрессии 2:1 (32 Кбит/c), непрерывно варьируемое изменение крутизны (CVSD) –коэффициент компрессии 4:1 (16Кбит/c),речь с высокой пропускной способностью (HCV) –коэффициент компрессии 8:1 (8 Кбит/c).При применении таких методов компрессии необходимо не забывать об одном жестком правиле: высвобождение ресурса пропускной способности, достигаемое с их помощью, оплачивается качеством звука.Новейшие методы могут обеспечить коэффициент сжатия 16:1 (скорость 4 Кбит/c), однако качество речи при этом становится приемлемым только для исключительных случаев.

Основы семиуровневой модели для сетей с коммутацией пользовательских каналов и пакетов в глобальной сети Интернет

Для моделирования протоколов различного назначения, используемых, как в сетях с коммутацией каналов Телефонной Сети Связи Общего Пользования, так и в сети глобального Интернета, удобно воспользоваться Семиуровневой моделью Взаимодействия Открытых Систем (ВОС) или в англоязычном варианте –OSI (OpenSystemInterconnection).

Данную модель еще называют «многоуровневым представлением сетевых протоколов» [3].В рамках такого представления подразумевается, что протоколы более высокого уровня используют функции протоколов более низкого уровня. Нижеследующий рисунок демонстрирует взаимоотношения архитектуры Интернет, определенной ARPA (Advanced Research Project Agency), с моделью OSI, а также поясняет функции каждого из уровней. Дальнейший материал взят из книги [1].

На нижеследующем рисунке представлены уровни модели OSI, кратко описаны протоколы и функции каждого уровня, сопоставленные архитектуре Интернет.

Уровни модели OSI и архитектуры Интернет

Первый уровень ARPA -уровень сетевого интерфейса – поддерживает физический перенос информации между устройствами в сети, т.е. объединяет функции двух уровней OSI–физического и звена данных. Уровень сетевого интерфейса обеспечивает физическое соединение со средой передачи, обеспечивает, если это необходимо, разрешение конфликтов, возникающих в процессе организации доступа к среде (например, используя технологию CSMA/CDв сети Ethernet), упаковывает данные в пакеты. Пакет – это протокольная единица, которая содержит информацию верхних уровней, и служебные поля (аппаратные адреса, порядковые номера, подтверждения и т.д.), необходимые для функционирования протоколов этого уровня.

Сетевой уровень отвечает за передачу информации, упакованной в дейтаграммы (datagram), от одного компьютера к другому.

Дейтаграмма – это протокольная единица, которой оперируют протоколы семейства TCP/IP. Она содержит адресную информацию, необходимую для переноса дейтаграммы через сеть, а не только в рамках одного звена данных.

Основным протоколом, реализующим функции сетевого уровня, является протокол IP. Этот протокол отвечает за маршрутизацию, фрагментацию и сборку дейтаграмм в рабочей станции. Обмен между сетевыми узлами информацией о состоянии сети, необходимой для формирования оптимальных маршрутов следования дейтаграмм, обеспечивают протоколы маршрутизации – RIP, EGP, BGP, OSPF и другие. Протокол преобразования адресов (Address Resolution Protocol)преобразует IP адреса в адреса в адреса, использующиеся в локальных сетях (например,Ethernet). Протокол контрольных сообщений – ICMP (Internet Control Message Protocol) предоставляет возможность программному обеспечению рабочей станции или маршрутизатора обмениваться информацией о проблемах маршрутизации пакетов с другими устройствами в сети. Протокол ICMP – необходимая часть реализации стека протоколов TCP/IP.

Транспортный уровень стека протоколов Интернет обеспечивает надежную передачу информации от источника к приемнику. Кроме того, реализация протоколов этого уровня образует универсальный интерфейс для приложений, обеспечивающий доступ к услугам сетевого уровня. Основными протоколами сетевого уровня являются TCP (Transmission Control Protocol) и UDP (User Datagram Protocol).

Прикладной уровень включает в себя множество протоколов используемых такими протоколами, как протокол передачи файлов - FTP (File Transmission Protocol), протокол HTTP (Hyper Text Transfer Protocol) передачи гипертекстовых документов в формате стандартизированного языка разметки во всемирной паутине – HTML (Hyper Text Mark-up Language).