3. Аппаратные средства коммутации 39

3.1 Пространственная коммутация. Графы Ли. Метод Якобеуса 40

3.1.1 Однозвенная коммутация 40

3.1.2 Многозвенные коммутационные матрицы 43

3.2 Временная коммутация. Пространственно-временная коммутация 51

3.3 Оценка эффективности работы средств коммутации при управлении

трафиком в сетях связи 62

3.3.1 Математические модели трафика 63

3.3.2 Системы с потерями 66

3.3.3 Системы с ожиданием 69

3.4 Синхронизация управления коммутационными элементами 72

3.4.1 Основные определения 72

3.4.2 Характеристики сигналов опорных генераторов 74

3.4.3Структурная схема системы синхронизации 76

3.4.4 Анализ дестабилизирующих факторов 77

3.4.5 Модель процессов нестабильностей 78

3.4.6 Методы передачи сигналов синхронизации 81

3.4.7 Построение сетей синхронизации 82

4. IP-телефония 84

4.1 Архитектура IP-Телефонии 84

4.1.1 Архитектура сети на базе рекомендации Н.323 85

4.1.2 Сеть на базе протокола SIP 86

4.2 Основные сценарии IP-Телефонии 88

4.2.1 Сценарий “Компьютер-Компьютер” 88

4.2.2 Сценарий “Телефон-Компьютер” 91

4.2.3 Сценарий “Телефон-Телефон” 91

4.3 Маршрутизация и адресация 92

4.3.1 Протокол IP 92

4.3.2 Протокол UDP 95

4.3.3 Протоколы RTP и RTCP 95

4.4 Особенности передачи речевой информации в IP-телефонии 97

Заключение 109

5. Приложения 110

П.1 Телефонные соединители с шаговыми и декадно-шаговыми искателями 110

П.2 Многократный координатный соединитель 114

П.3 Принципы построения телефонных сетей 117

П.4 Математическая модель канала связи 126

Литература 131

Введение

В.1 Историческая справка

В конце XVII века после опытов Гальвани и Вольта, положивших практическое начало науки об электричестве, начались работы, направленные на создание электрических средств связи. Первый телеграф предполагал связь между абонентами линиями по числу, равным количеству передаваемых знаков. На этом принципе построен электростатический телеграф Маршалла (Англия, 1753г.) и электрохимический телеграф Земмеринга (Германия, 1809г.).

Более совершенный, аппарат Шиллинга (Россия, начало 19 века – 1812 год), использовал равномерный шестиэлементный код. Далее, спустя 10 лет, был создан буквопечатающий аппарат Якоби.

Родоначальником всех электронных сетей и систем передачи данных можно считать американского художника Самуэля Финли Бриза Морзе. В 1837 году он разработал систему электросвязи по металлическому проводу и дал ей название “телеграф”. Годом позже он дополнил ее знаменитой азбукой Морзе. 24-го мая 1844 года между Балтимором и Вашингтоном состоялся первый публичный сеанс телеграфной связи. Через 14 лет был проложен первый трансатлантический кабель (просуществовал этот кабель в рабочем состоянии всего 26 дней).

В 1874 году французский инженер Жан Морис Эмиль Бодо (Boudot) изобрел телеграфный мультиплексор (уплотнитель), позволяющий по одному проводу передавать до шести телеграфных каналов. Значимость этого изобретения и авторитет Бодо были столь велики, что разработанный спустя три года инженером Томасом Муррэй телеграфный пятиэлементный код был назван кодом Бодо. В честь Бодо названа также и единица измерения скорости передачи телекоммуникационных символов (бод).

Следующий шаг – изобретение телефона (Александр Грехем Белл и Томас Ватсон – 1875 год). Первая телефонная сеть была создана в 1878 году в г. Нью-Хэвен, штат Коннектикум. Число абонентов было равно 21. Способ организации сети – всесвязная сеть.

Следующий этап развития телефонных сетей – это введение управления каналами связи, введение центральных телефонных станций. Это позволило существенно увеличить число абонентов благодаря сокращению линий связи: в сеть была введена центральная коммутационная станция, абонент подключался к телефонной станции одной парой проводов, далее телефонная станция осуществляла коммутацию с другими абонентами. В первых сетях, начиная с 1880 года, подключение осуществляли телефонистки методом установки штекеров в коммутационном поле. Коммутация осуществлялась посредством так называемых “шнуровых пар”.

В 1882 году в Москве появилась первая телефонная сеть с такой центральной коммутационной станцией.

Следующая проблема, которую следовало решить для упрощения коммутации – определение необходимого числа шнуровых пар.

В 1885 году российский инженер Фрейденберг показал достаточность соединений пар абонентов, значительно меньших, чем число пар в телефонной станции. Впервые была поставлена задача доступа к ограниченному коммутационному ресурсу.

В 1888 году Элайш Грей (Чикаго) запатентовал устройство передачи факсимильных сообщений.

С 1889 года начался новый этап в развитии коммутационных технологий – Элмон Браун Строуджер, владелец похоронного бюро, (г. Канзас-Сити) разработал систему автоматической коммутации каналов связи в телефонных сетях. Ручную коммутацию было предложено заменить на автоматическую.

Первая автоматическая телефонная станция была создана А. Строуджером в 1892 году. Алман Строуджер изобрел автоматический телефонный коммутатор декадно-шагового типа на 99 абонентов и запатентовал это изобретение на имя им же созданной компании. В 1896 году А.Строуджер изобрел дисковый номеронабиратель.

В конце XIX-го века окончательно оформились две ветви единого телекоммуникационного древа – передача голоса (телефонии) и передача данных (телеграф). Примерно в тоже время началось разделение на проводные и беспроводные технологии передачи информации.

Задачу доступа к ограниченному коммутационному ресурсу, поставленную российским инженером Фрейденбергом, впервые решил датский математик А.К.Эрланг в 1909 году в статье “Теория вероятностей и телефонные переговоры”, предложивший формулы для вычисления числа абонентов АТС, желающих одновременно вести переговоры.

Устройства автоматической телефонной станции А. Строуджера стали широко производиться фирмой AT&T, начиная с 1921 года, когда истек срок действия патента А.Строуджера.

В России первая автоматическая телефонная станция, изготовленная фирмой Сименс и Гальске, была установлена в 1924 году.

В 1928 году американский физик-электрик и изобретатель Гарри Найквист в статье “Некоторые вопросы телеграфной передачи” изложил принципы преобразования аналоговых сигналов в цифровые – родилась теорема Найквиста. В России ее (эту теорему) называют теоремой Котельникова, хотя опубликовал ее (теорему) Котельников спустя пять лет после публикации Найквиста. Другой результат – пропускная способность канала связи – приписывают Клоду Элваду Шеннону (1948 год). Однако пропускная способность каналов связи была определена Котельниковым на год раньше, в 1947 году.

Американский инженер А.Х.Риверс в 1938 году патентует ИКМ преобразование аналоговых сигналов в цифровые.

Начиная с 50-х годов прошлого столетия сетевые проводные и беспроводные технологии начали настолько сближаться, что четкую грань между ними провести не представляется возможным.

Беспроводные технологии зарождались также в XIX веке. Вплотную к решению беспроводной связи первыми подошли Г.Герц, О.Лодж и Э.Бранли. В 1892 году английский ученый В. Крукс теоретически показал возможность и описал принципы радиосвязи. В 1893 году сербский ученый Н. Тесла в США продемонстрировал передачу сигналов на расстояние. Позднее, в 1895 году, это было продемонстрировано А.С.Поповым и Гильельмо Маркони.

В 1906 году Ли де Форест создал первую электронную лампу (триод). Появилась возможность строить электронные усилители сигналов. Это определило весьма высокие темпы дальнейшего развития беспроводной связи.

Основные вехи в развитии беспроводной связи: в 1933 году Э.Х.Армстронг изобрел частотную модуляцию; с 1936 года началось коммерческое ЧМ-вещание; в 1946 году началась эксплуатация подвижной радиотелефонной связи для абонентов с автомобильными радиотелефонами; в 1960 году выведен на орбиту 1500 км первый пассивный спутник связи, “Эхо-1”; в 1962 году запущен первый активный спутник “Telstar-1”, в 1964 году запущен первый спутник на геостационарную орбиту, “Syncom-3”; в 1970 году появилась первая пакетная радиосвязь (через спутник), знаменитая ALOHA; в 1976 году была впервые опубликована рекомендация Х.25, которая стала первым и чрезвычайно успешным стандартом сети с пакетной передачей данных – массовая пакетная коммуникация стала реальностью; в 1978 году международная организация по стандартизации ISO (International Standard Organization) утвердила семиуровневую модель взаимодействия открытых систем.

В конце XX-го века возникла новая волна – использование цифровой формы передаваемых данных. Благодаря цифровому представлению данных начали все тесней переплетаться развивавшиеся параллельно технологии телефонии и передачи данных. С появлением пакетных сетей передачи информации эти ветви практически слились воедино. Появился термин “мультимедиа”, означающий объединение самых различных технологий (голос, аудио/видео, данные) в единой технологической среде обработки и передачи информации.

В.2 Унификация средств коммутации

Унификация (стандартизация), как ни странно, не является только техническим вопросом. На стандарты весьма существенно влияют политические отношения между странами. Так Япония не желает принимать американские стандарты, Америка против стандартов Европы и т.д. Результаты можно наблюдать на различиях технологий GSM, DAMPS и CDMA для цифровой подвижной связи. Однако есть и примеры обратного характера: так стандарт DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications), рожденный в Европе, получил развитие в Америке и Японии.

Регулирование всех коммуникационных технологий ведется под управлением Международного союза электросвязи (ITU), уполномоченного Организацией объединенных Наций (ООН). Ранее известный как Международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии (МККТТ), он был создан 17 мая 1865 года двадцатью европейскими государствами, включая и Россию, которые подписали предложенную Францией первую международную телеграфную конференцию, обеспечивающую согласование и взаимодействие национальных телеграфных сетей и положившую начало деятельности Международного телеграфного союза. В 1925 году в рамках телеграфного союза было образовано два комитета – Международный консультативный комитет по дальней телефонной связи (в 1932 г. переименован в Международный консультативный комитет по телефонии, МККФ) и Международный консультативный комитет по телеграфии, МККТ. В 1932 г. в Мадриде были проведены совместно конференции Международного телеграфного союза и Международного радиотелеграфного союза, принята единая конвенция, и два союза были объединены в один, который с 1934 года называется Международным союзом электросвязи, МСЭ. Таким образом, не сейчас, а 70 лет назад был образован международный орган МСЭ, объединивший все три отрасли электросвязи – телеграф, телефон, радио. Штаб-квартира МСЭ размещается в Берне (Швейцария). Основная деятельность союза была направлена на поддержку и расширение международного сотрудничества, рациональное использование всех видов электросвязи, содействию развития технических средств и их эффективной эксплуатации.

После окончания второй мировой войны, в 1947 г., состоялась международная конференция в Атлантик-Сити, на которой была модернизирована структура МСЭ и было заключено соглашение с ООН, в результате которого МСЭ стал его специализированным учреждением, и его штаб-квартиру перенесли из Берна в Женеву. А в 1955 году на базе МККТ и МККФ был образован международный консультативный комитет по телеграфии и телефонии (МККТТ), в котором прорабатывались также вопросы, относящиеся к передаче данных, факсимильных сообщений и видеоинформации. Возврат исторического названия ITU (МСЭ) произошел недавно в ходе мероприятий, направленных на борьбу с бюрократизмом и на повышение эффективности деятельности ООН. Обновлена структура исследовательских комитетов (ИК) этой организации, а разработанные этими ИК серии Рекомендаций по тематике средств коммутации приведены в таблице 1.

Таблица В1. Структура серий Рекомендаций ИК

D	Общие принципы начисления платы
T	Общая эксплуатация сети, функционирование служб и человеческие факторы
G	Системы и среда передачи, цифровые системы и сети
H	Системы аудиовизуальной мультимедийной связи
I	Цифровая сеть интегрального обслуживания
J	Передача мультимедийных сигналов
R	Защита от помех
M	Сеть эксплуатационного управления средствами электросвязи (TMN)
P	Качество телефонной передачи, телефонные установки и абонентские линии
Q	Коммутация и сигнализация
V	Передача данных по телефонной сети
X	Сети данных и взаимодействие открытых сетей
Y	Глобальная информационная инфраструктура
Z	Языки программирования

Существует и ряд других организационных структур стандартизации. Наиболее значимые приведены ниже.

Европейский институт стандартов для электросвязи (ETSI- European Telecommunications Standards Institute) создан в 1988 году и является независимой организацией, разрабатывающей европейские стандарты связи. Известен как разработчик стандарта GSM, принятого во всем мире.

Международная организация стандартизации (ISO) – один из крупнейших в мире профессиональных обществ, - разработчик стандарта открытых систем.

Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE) - крупнейшее в мире профессиональное общество. Разработал IEEE много известных стандартов: стандарт для локальных сетей (LAN), стандарт ISO 8002 для локальной сети Ethernet и ряд других.

Существуют также и ряд общественных организаций, работающих со стандартами достаточно эффективно: DSL – форум, MPLS – форум и др.