1.2 Системи, канали та мережі зв'язку

Вона складається в загальному випадку із джерела та одержувача повідомлень, перетворювачів повідомлення в сигнал та сигналу в повідомлення, каналу зв’язку. На рис. 1.2 зображена структурна схема найпростішої одноканальної системи зв'язку. Джерелом повідомлень й одержувачем в одних системах зв'язку може бути людина, в іншіх — різного роду пристрої (автомат, обчислювальна машина й т.д.).

Пристрій, що перетворює повідомлення в сигнал, називають передавальним, а пристрій, що перетворить прийнятий сигнал у повідомлення, — приймальним. За допомогою первинного перетворювача в передавальному пристрої повідомлення а, що може мати будь-яку фізичну природу (зображення, звукове коливання й т.п.), перетвориться в первинний електричний сигнал b(t). У телефонії, наприклад, ця операція зводиться до перетворення акустичних коливань в електричну напругу, що пропорційно змінюється, на виході мікрофона. У телеграфії за допомогою телеграфного апарата послідовність елементів повідомлення (букв) заміняється послідовністю кодових символів (0, 1 або крапка, тире), що одночасно перетворюється в послідовність електричних імпульсів постійного струму, у передавачі первинний сигнал b(i) (низькочастотний) перетворюється у вторинний (високочастотний) сигнал u(t), придатний для передачі по використовуваному каналі. Це здійснюється за допомогою модуляції.

Перетворення повідомлення в сигнал повинне бути оборотним. У цьому випадку по вихідному сигналі можна відновити вхідний первинний сигнал, тобто одержати всю інформацію, що втримується в переданому повідомленні. У противному випадку частина інформації буде загублена при передачі.

Лінією зв'язку називається фізичне середовище й сукупність апаратних засобів, що використовуються для передачі сигналів від передавача до приймача. У системах електричного зв'язку — це насамперед кабель або хвилевід, у системах радіозв'язку — область простору, у якому поширюються електромагнітні хвилі від передавача до приймача.

Рисунок 1.2 – Узагальнена структурна схема системи передачі інформації

При передачі канальний сигнал u(t) може спотворюватися й на нього можуть накладатися завади n(t). Приймальний пристрій обробляє прийняте коливання z(t) = x(t) + n(t), яке є сума перекрученого сигналу x(t) і завади n(t), і відновлює по ньому повідомлення, що з деякою похибкою відображає передане повідомленняа. Інакше кажучи, приймач повинен на основі аналізу коливання z(t) визначити, яке з можливих повідомлень передавалось. Тому прийомний пристрій є одним з найбільше відповідальних і складних елементів системи зв'язку.

Сукупність технічних засобів для передачі повідомлень від джерела до споживачеві та лінії зв’язку називається системою зв'язку. Цими засобами є передавальний пристрій, лінія зв'язку й прийомний пристрій. Іноді в поняття система зв'язку включається джерело й споживач повідомлень.

По виду переданих повідомлень розрізняють наступні системи зв'язку: передача мови (телефонія); передача тексту (телеграфія); передача нерухомих зображень (фототелеграфія); передача рухомих зображень (телебачення), телевимірювання, телекерування й передача даних.

По призначенню телефонні й телевізійні системи поділяють на віщальні, що відрізняються високим ступенем художності відтворення повідомлень, і професійні, що мають спеціальне застосування (службовий зв'язок, промисловий телебачення й т.п.). У системі телевимірювання фізична величина, що підлягає виміру (температура, тиск, швидкість і т.п.), за допомогою датчиків перетвориться в первинний електричний сигнал, що надходить на передавач. На прийомному кінці передану фізичну величину або її зміни виділяють із сигналу й спостерігають або реєструють за допомогою записуючих приладів. У системі телекерування здійснюється передача команд для автоматичного виконання певних дій. Нерідко ці команди формують автоматично на підставі результатів виміру, переданих телеметричною системою.

Впровадження високоефективних електроно обчислювальних машин (ЕОМ) привело до необхідності швидкого розвитку систем передачі даних, що забезпечують обмін інформацією між обчислювальними засобами й об'єктами автоматизованих систем керування. Цей вид електрозв'язку в порівнянні з телеграфної відрізняється більше високими вимогами до швидкості й вірності передачі інформації.

Каналом зв'язку називається сукупність засобів, що забезпечують передачу сигналу від деякої крапки А системи до крапки Б (рис. 1.3). На цьому рисунку позначено Пер1- перетворювач повідомлення в сигнал; Пер2- перетворювач сигналу в повідомлення; ПрД – передавач; ПрМ – приймач;ЛЗ – лінія зв’язку. Крапки А та Б можуть бути обрані довільно, аби тільки між ними проходив сигнал. Частина системи зв'язку, розташована до крапки А, є джерелом сигналу для цього каналу. Якщо сигнали, що надходять на вхід каналу й ті, що з його виходу, є дискретними (по рівнях), то канал називається дискретним. Якщо вхідні й вихідні сигнали є безперервними (за рівнем), те й канал називається безперервним.

Рисунок 1.3 – Структурна схема каналу зв’язку

Зустрічаються також дискретно-безперервні й безперервно-дискретні канали, на вхід яких поступають дискретні сигнали, а з виходу знімаються безперервні, або навпаки. Канал може бути дискретним або безперервним незалежно від характеру переданих повідомлень. Більш того, в одній і тій же системі зв'язку можна виділити як дискретний, так і безперервний канал. Все залежить від того, яким образом обрані точки А і Б входу й виходу.

За аналогією з сигналами канал зв’язку, застосовуваний для передавання сигналів, характеризують наступними основними параметрами: часом роботи каналу зв’язку , смугою частот пропускання каналів зв’язкуі динамічним діапазоном(перевищенням середньої потужності сигналу над середньою потужністю завад на виході каналу зв’язку):

. (1.2)

Добуток основних параметрів каналу зв’язку називають об’ємом (ємністю) каналу зв’язку:

. (1.3)

Основна умова узгодження каналу зв’язку з сигналом, виконання якої забезпечує можливість неспотвореного сигналу, така:

;;. (1.4)

Повідомлення має бути перетворене в сигнал так, щоб об’єм сигналу в тривимірному просторі T, ΔF, D відповідав об’єму каналу в тому самому тривимірному просторі, тобто: час передавання сигналу має збігатися з часом роботи каналу зв’язку; смуга частот сигналу має збігатися зі смугою частот каналу зв’язку; динамічні діапазони на вході і виході каналу зв’язку мають дорівнювати один одному, Тільки в цьому випадку канал зв’язку може забезпечити неспотворене передавання сигналу.

Якщо об’єм сигналу менший за об’єм каналу зв’язку або дорівнює йому, тоді завжди можна здійснити таке перетворення сигналу, при якому виконуватимуться умови (1.4). Отже, умова можливості узгодження сигналу і каналу зв’язку

. (1.5)

Відношення називається резервом ємності каналу зв’язку та визначається як:

. (1.6)

Резерв ємності каналу зв’язку характеризує можливості підвищення надійності каналу зв’язку.

Загальними ознаками безперервних каналів є наступні. По-перше, більшість каналів можна вважати лінійними.

Типи каналів, по яких передаються сигнали, численні й різноманітні. Розрізняють канали проводового зв'язку (повітряні, кабельні, світловоди й ін.) і канали радіозв'язку. Кабельні лінії зв'язку є основою магістральних мереж далекого зв'язку, по них здійснюється передача сигналів у діапазоні частот від десятків кГц до сотень МГц.

Досить перспективними є волоконно-оптичні лінії зв'язку. Вони дозволяють у діапазоні 600...900 ТГц (0,5...0,3 мкм) забезпечити дуже більшу пропускну здатність (сотні ТВ або сотні тисяч ТФ каналів). Поряд із проводовими лініями зв'язку широко використаються радіолінії різних діапазонів (від сотень кГц до десятків ГГц). Ці лінії більш економічні й незамінні для зв'язку з рухомими об'єктами. Найбільше поширення для багатоканального радіозв'язку одержали радіорелейні лінії (РРЛ) метрового, дециметрового й сантиметрового діапазонів на частотах від 60 МГц до 15 ГГц.

Різновидом РРЛ є тропосферні лінії з використанням відбиттів від неоднорідностей тропосфери. Все більше застосування знаходять супутникові лінії зв'язку — РРЛ із ретранслятором на ИСЗ. Для цих ліній (систем) зв'язку відведені діапазони частот 4...6 і 11... 275 ГГц. Дальність при одному ретрансляторі на супутнику, гнучкість і можливість організації глобального зв'язку - важливі переваги супутникових систем.

Однак нерівність (1.5) може виконуватися й тоді, коли одне або два з нерівностей (1.4) не виконані. Це означає, що можна робити "обмін" тривалості на ширину спектра. Записаний на плівку телефонний сигнал, який має ширину спектра 3 кГц, необхідно передати через канал, смуга пропуску якого 300 Гц. Це можливо здійснити, відтворюючи сигнал зі швидкістю, до 10 разів меншої тієї, з якої він був записаний. При цьому всі частоти вихідного сигналу зменшаться в 10 разів і в стільки ж раз збільшиться час передачі. Прийнятий сигнал також записується на плівку, а потім, відтворивши його зі швидкістю, в 10 разів більшої, можна відновити вихідний сигнал. Аналогічно можна передати сигнал швидше, якщо смуга пропущення каналу ширше спектра сигналу.

Значно більший інтерес представляє можливість обміну динамічного діапазону на смугу пропущення. Так, використовуючи широкополосні завадостійкі види модуляції можна передати повідомлення з динамічним діапазоном, наприклад 60 дБ, по каналі, у якому сигнал перевищує перешкоду всього лише на 20 дБ. При цьому використається смуга пропущення каналу в кілька разів більше широка, чим спектр повідомлення.

У системі зв'язку, представленої на рис. 1.2, передача повідомлень здійснюється в одному напрямку від джерела до одержувача. Такий режим зв'язку називається симплексним. Режим, при якому забезпечується можливість одночасної передачі повідомлень у прямому й зворотному напрямку, називається дуплексним. Можливий і напівдуплексний режим, коли обмін повідомлень здійснюється по черзі.

Система зв'язку називається багатоканальною, якщо вона забезпечує передачу декількох повідомлень по одній загальній лінії зв'язку. Структурна схема найпростішої багатоканальної системи зв'язку зображена на рис. 1.4.

Рисунок 1.4 – Структурна схема багатоканальної системи передачі

Для обміну повідомленнями між багатьма територіально рознесеними користувачами (абонентами) створюються мережі зв'язку, що забезпечують передачу й розподіл повідомлень по заданих адресах (у заданий час і із установленою якістю). Розподіл потоків повідомлень по заданих адресах здійснюється на вузлах зв'язку за допомогою комутаційних пристроїв. По способу розподілу повідомлень мережі діляться на що не комутирують і що комутуються. У першому випадку зв'язок між абонентами здійснюється по постійно закріплених каналах за принципом "кожний з кожним". У другому випадку абоненти зв'язуються між собою не безпосередньо, а через вузли комутації. Мережа зв'язку являє собою сукупність кінцевих (абонентських) пристроїв, каналів зв'язку (сполучних ліній) і вузлів комутації. Залежно від числа абонентів і розмірів обслуговує території мережі можуть мати різну структуру: лінійну, радіальну, кільцеву, радіально-узлову й т.п. Завдання оптимальної побудови мереж зв'язку є однієї з найважливіших завдань теорії й техніки зв'язку. Вирішується це завдання за допомогою теорії графів і теорії масового обслуговування.

Під мережею зв'язку розуміється сукупність вузлів комутації і ліній зв'язку, об'єднаних через фізичне середовище передачі [42]. Мережа зв'язку дозволяє якнайповніше і оперативно забезпечити потреби абонентів різних категорій в широкому асортименті послуг зв'язку. Залежно від своєї протяжності мережі підрозділяються на глобальні, регіональні, міські (міть мегаполісів), кампусні і локальні.

Так, на залізничному транспорті України з урахуванням специфіки організації його структури телефонна мережа зв'язку будується переважно по радіально – вузловому принципу і підрозділяється на магістральну, дорожні, відділкові і станційні. (рис. 1.5) [14].

Магістральний зв'язок (МС) з’єднує Центральну станцію зв'язку (ЦСЗ) Укрзалізниці з дорожніми вузлами (ДВ) і останні між собою. Дорожня мережа (ДМ) організовується в межах однієї залізниці. Відділова мережа (ОС) з’єднує відділковий вузол (ВУ) з крупними залізничними станціями (ЗС) у відділеннях дорогі (дирекціях). Лінійні споруди зв'язку спільно з каналоутворюючою апаратурою, що забезпечують з'єднання між адміністративними пунктами, утворюють первинну мережу зв'язку. Вторинні мережі організовуються на базі первинної мережі і об'єднують місцеві телефонні мережі, мережі телеграфного зв'язку і передачі даних і ін.

З'єднання абонентів і абонентських пристроїв вторинної мережі для передачі і прийому інформації здійснюється за допомогою комутаційних станцій, розташованих у вузлах комутації (вузлах зв'язку).

У сучасному електрозв'язку розрізняють наступні способи комутації: комутація каналів, комутація пакетів, комутація повідомлень.

Під комутацією каналів розуміється процедура встановлення фізичного з'єднання між двома кінцевими пристроями за допомогою одного або декількох комутаторів на весь час встановлення з'єднання.

Під комутацією пакетів розуміється технологія передачі даних, що характеризується тим, що потік інформації що передається розбивається на пакети фіксованої або змінної довжини, які обробляються і комутуються в мережі як незалежні блоки. Встановлення з'єднання здійснюється лише на час передачі пакету.

Рисунок 1.5 - Принцип побудови мереж магістральної дорожніх і відділкових видів зв'язку на залізничному транспорті

Під комутацією повідомлень розуміється транзитна передача через комутатор блоку даних що відносяться до даного повідомлення без розділення його на частини (або пакети при комутації пакетів). Повідомлення у відмінності від пакету має довжину, яка визначається інформаційним змістом.

Оскільки сучасні телекомунікаційні системи і мережі зв'язку є достатньо складними структурами, що включають багато компонентів, то для представлення взаємодії між собою різних частин мережі Міжнародною організацією стандартизації (ISO, International Organization for Standardization) в 1977 р. розробила модель відкритої системної взаємодії (OSI, Open Systems Interconnection). З тих пір вона стала широко використовуватися для пояснення мережевих комунікацій У сучасному електрозв'язку розрізняють наступні способи комутації: комутація каналів, комутація пакетів, комутація повідомлень. [43].

В процесі побудови будь-якої багаторівневої структури виникає завдання визначення оптимального числа її рівнів. Так, при розробці еталонної моделі число її рівнів визначалося з наступних міркувань:

1. Розбиття на рівні повинне максимально відображати логічну структуру проектованої мережі;

2. Міжрівневі межі повинні бути визначені так, щоб забезпечувалися мінімальне число і простота міжрівневих зв'язків.

3. Необхідно враховувати, що велике число рівнів з одного боку спрощує внесення змін до системи, а з іншої – збільшує кількість міжрівневих протоколів і утрудняє опис моделі в цілому.

З урахуванням цього, Міжнародною організацією стандартів для мереж зв'язку різного застосування була запропонована семирівнева модель взаємодії відкритих систем (рис. 1.6).

У цій системі основним, з погляду користувача, є прикладний рівень. Сьомий рівень забезпечує виконання прикладних процесів користувачів і визначає семантику, тобто смисловий зміст інформації, якою обмінюються відкриті системи в процесі їх взаємодії. З цією метою даний рівень, окрім протоколів взаємодії прикладних процесів, підтримує протоколи передачі файлів, віртуального терміналу, електронної пошти і подібні до них.

Шостий рівень називається представницьким (рівень представлення даних); він визначає єдиний для всіх відкритих систем синтаксис інформації, що передається. Необхідність даного рівня обумовлена різною формою представлення інформації в мережі передачі даних і кінцевих обладнаннях. Даний рівень грає важливу роль в забезпеченні "відкритості" систем, дозволяючи їм взаємодіяти між собою незалежно від їх внутрішньої мови.

П'ятий рівень називається сеансовим, оскільки основним його призначенням є організація сеансів зв'язку між прикладними процесами, розташованих в різних абонентських системах. На даному рівні створюються порти для передачі і прийому повідомлень і організовуються з'єднання – логічні канали між собою. Необхідність протоколів даного рівня визначається відносною складністю мережі передачі даних і прагненням забезпечити достатньо високу надійність передачі інформації.

Рисунок 1.6 – Еталонна модель взаємодії відкритих систем

Четвертий рівень називається транспортним (рівень наскрізної передачі) і служить для забезпечення передачі даних між двома взаємодіючими відкритими системами і організації процедури сполучення абонентів мережі з системою передачі даних. На цьому рівні визначається взаємодія абонентських систем – джерела і адресата даних, організовується і підтримується логічний канал (транспортне з'єднання) між абонентами.

Третій рівень називається мережевим і призначений для забезпечення процесів маршрутизації інформації (повідомлень, що передаються) і управління мережею передачі даних. На відміну від попередніх, даний рівень більшою мірою орієнтован на мережу передачі даних. На цьому рівні вирішуються питання управління мережею передачі даних, зокрема маршрутизація і управління інформаційними потоками.

Другий рівень називається канальним і забезпечує функціональні і процедурні засоби для встановлення, підтримки і розмикання з'єднань на рівні каналів передачі даних. Процедури канального рівня забезпечують виявлення і, можливо, виправлення помилок, що виникають на фізичному рівні.

Перший рівень називається фізичним і служить для забезпечення механічних, електричних, функціональних і процедурних засобів організації фізичних з'єднань при передачі даних між фізичними пристроями (об'єктами).

Інтенсивний розвиток інформаційних технологій в 70-і роки минулого сторіччя викликав такий розвиток мікропроцесорної техніки, яка стимулювала подальше вдосконалення цифрових методів передачі мові і даних, що привело до розробки і впровадження не тільки технологій локальних мереж: ARCnet, Ethernet, Toking Ring і FDDI, але і нових високошвидкісних технологій глобальних мереж: PDH, SONET, SDH, ISDN, FramRelay, АТМ.

Найбільш поширеними цифровими технологіями в глобальних мережах зв'язку є PDH і SDH [43].

Так, в ієрархії PDH (плезіохронна цифрова технологія) широко застосовується цифровий канал (його часто називають основним) має швидкість передачі рівну 64 кбіт/с. На його базі будують цифрові групові тракти:

а) первинний – 30 каналів інформаційних і 2 канали додаткових (один для синхронізації, другої, – для управління комутаційним устаткуванням на АТС). Він має швидкість 2048 кбіт/с.;

б) вторинний – 120 каналів інформаційних і додаткові канали для сигналізації і синхронізації. Швидкість передачі сигналів в цьому тракті рівна 8,448 Мбіт/с.;

в) третинний – 480 каналів інформаційних і додаткові канали для сигналізації і синхронізації. Швидкість передачі сигналів в цьому тракті рівна 34,468 Мбіт/с.;

г) четверічний – 1920 каналів інформаційних і додаткові канали для сигналізації і синхронізації. Швидкість передачі сигналів в цьому тракті рівна 139,264 Мбіт/с.

Ієрархія SDH (синхронна цифрова технологія) в порівнянні з ієрархією PDH має наступні переваги: спрощення побудови мережі, вища надійність, самовідновлюваність мережі, гнучкість управління мережею, виділення смуги пропускання на вимогу, прозорість для передачі будь-якого графіку, універсальність застосування, простота нарощування потужності.

Основною функціональною одиницею в ієрархії SDH є синхронний транспортний модуль (STM), швидкість передачі якого складає VSTM-1 = 155,52 Мбіт/с (для STM - 1). Для вищих рівнів передачі швидкість визначається по формулі

V_И1 = V_STM-1 *N,

де рівень ієрархії SDH, причому N = 1,4,16 і т.д.

Так для другого рівня ієрархії SDH швидкість передачі рівна:

V_И2 = 4*155,52 = 622,08 Мбіт/с.

Аналогічно можна отримати швидкості передачі для третього рівня VИ3 = 16*155,52 = 2488,32 Гбит/с і для четвертого V_И4 = 64*155,52 = 9953,28 Гбіт/с.