Инженерна энциклопедия

ИНЖЕНЕРНА ЭНЦИКЛОПЕДИЯ

О.М. Денисьева, Д.Г. Мирошников

Средства связи для "последней мили"

ЭКО-ТРЕНДЗ - НТЦ НАТЕКС Москва, 1999

УДК 621.316.5 621.396.2

Книга содержит описание принципов построения, характеристик и функциональных схем технических средств, применяемых на "послед­ней миле" - на участке сети связи от телефонной станции до абонент­ских оконечных устройств.

Специалистам-практикам может быть интересна информация, дающая общее представление о технологиях абонентского доступа. Внимание специалистов-разработчиков технических средств абонентского досту­па может привлечь теоретический раздел книги, где приведен новей­ший справочный материал. Большая же часть материала рассчитана на специалистов, занимающихся эксплуатацией оборудования, - опера­торов связи.

В каждой главе приведено общее описание конкретной технологии, указана сфера применения, даны рекомендации по выбору и анализу оборудования, реализующего различные технологии, приведены при­меры конкретных реализации аппаратуры.

Рассмотрены технологии уплотнения кабелей с медными жилами. Предложены современные решения, позволяющие операторам связи предоставлять абонентам цифровые услуги по кабелям с медными жи­лами (Data over voice, xDSL, ISDN), по волокно оптическим линиям (вы­сокоскоростной доступ), по радио эфиру (WLL). Показана возможность организации абонентского выноса с использованием мультиплексоров.

Приведены характеристики оборудования различных фирм-изготови­телей, проанализированы проблемы адаптации и внедрения аппаратуры.

Книга написана специалистами научно-технического центра НАТЕКС и предназначена для широкого круга специалистов в области связи, сту­дентов и аспирантов соответствующих специальностей.

ISBN 5-88405-010-0 © О.М. Денисьева, Д.Г. Мирошников, 1998

ПРЕДИСЛОВИЕ...................................................................................................................5

1.1. Традиционные решения организации абонентского подключения к сети...........?

1.2. Способы построения сетей абонентского доступа............................................ 10

1.3. Построение абонентской распределительной сети........................................... 18

1.4. Разновидности абонентских линий .................................................................... 19

2. ЦИФРОВАЯ АППАРАТУРА УПЛОТНЕНИЯ АБОНЕНТСКИХ ЛИНИЙ ...........................21

2.1. Общие принципы построения цифровых систем передачи............................... 21

2.2. Технологии кодирования, применяемые в ЦСПАЛ............................................. 29

2.3. Примеры реализации аппаратуры уплотнения, основанной

на технологии DSL..............................................................................................34

3. СРЕДСТВА ДОСТУПА К СЕТЯМ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ...............................................49

3.1. Общие характеристики....................................................................................... 49

3.2. Модемы для телефонных каналов......................................................................49

3.3. Модемы для физических линий..........................................................................52

3.4. Модемы "голос+данные" ...................................................................................56

4. ТЕХНОЛОГИЯ HDSL И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ В СЕТЯХ ДОСТУПА................................... 58

4.1. Концепция технологий xDSL............................................................................... 58

4.2. Технологии кодирования, применяемые в HDSL................................................59

4.3. Оборудование HDSL........................................................................................... 66

4.4. Примеры применения и построения систем HDSL............................................ 70

4.5. Применение технологии HDSL для уплотнения абонентских линий.................. 76

4.6. Применение технологий HDSL для цифровизации аналоговых линий связи, организованных с использованием аппаратуры частотного уплотнения..........................................................................................................79

5. ОРГАНИЗАЦИЯ ДОСТУПА АБОНЕНТА К ISDN ............................................................ 80

5.1. Виды абонентского доступа к ресурсам сети ISDN ...........................................80

5.2. Услуги современных отечественных сетей ISDN................................................ 82

5.3. Способы и примеры организации абонентского доступа к ISDN ......................83

ТЕЛЕФОННЫМ СЕТЯМ................................................................................................. 87

6.1. Особенности использования радиосредств для "последней мили"..................87

6.2. Радиотехнологии и аппаратные средства.......................................................... 88

6.3. Пример построения системы фиксированного радиодоступа........................... 93

7. СЕТИ АБОНЕНТСКОГО ДОСТУПА НА ОСНОВЕ

ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ЛИНИЙ СВЯЗИ ..................................................................... 99

7.1 Общие характеристики........................................................................................ 99

7.2. Концепция построения сетей доступа.............................................................. 100

7.3. Основные требования к оборудованию............................................................ 103

7.4. Примеры построения оборудования для сетей доступа.................................. 105

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................................. 129

Основные технологии высокоскоростной передачи на "последней миле"............ 130

ЛИТЕРАТУРА ................................................................................................................... 136

Термин "последняя миля" появился в отечественной технической литературе сравнительно недавно. Им обозначают участок сети связи от телефонной (коммутационной) станции до абонентских оконечных устройств. Другое обозначение того же понятия - сеть абонентского доступа. Оба определения берут свое начало от английских выражений ("Last Mile" и "Access Network"). Интерес к участку "последней мили" резко возрос в развитых странах в конце 80-х - начале 90-х годов, когда, с одной стороны, стало ясно, что одни лишь услуги аналоговой телефонии перестали удовлетворять пользователей, а, с другой стороны, прошла модерниза­ция и цифровизация магистральных сетей и коммутационных станций, позволившая удовлетворить потребность в новых услугах. "Последняя миля" стала в тот момент "горлышком бутыл­ки", сдерживавшим стремительное развитие услуг связи.

Однако уже в начале 90-х годов появились технологии, позволившие снять напряжен­ность на участке доступа. Прежде всего, это гамма решений xDSL, давших новую жизнь мед­ным абонентским линиям. Одновременно с модернизацией медных линий полным ходом шло развитие сетей абонентского доступа, основанных на использовании оптических кабелей и радиоканалов. К концу 90-х годов, то есть в наше время, наблюдается следующий виток спи­рали развития - во многих странах сети абонентского доступа развиты настолько, что легко могут обеспечить абоненту подключение на скоростях 2 Мбит/с и выше. Однако оказывается, что магистральные сети сегодня уже не справляются с такими объемами данных. Так что оче­редь снова стоит за модернизацией магистралей, теперь уже на основе АТМ (Asynchronous Transmission Mode) и других широкополосных технологий.

В книге авторы постарались дать читателю общее представление о технологиях або­нентского доступа с практических позиций. Теоретические данные приведены в небольшом объеме и носят справочный характер для специалистов в области разработки оборудования сетей доступа. Большая же часть материала рассчитана на практиков - операторов связи -^[ подготовлена на основе практической информации. В каждой главе дано общее описание ис­пользуемых технологий, сфера применения, рекомендации по выбору и анализу оборудова­ния, реализующего данные технологии, и приведены примеры конкретных реализации аппа­ратуры.

Рынок средств связи для "последней мили" в настоящее время стремительно развива­ется. В России, например, прирост монтированной емкости местных телефонных станций в 1996 году превысил 2 млн. номеров, что значительно превышает аналогичные приросты про­шлых лет. Это обусловливает необходимость резкого расширения абонентской распредели­тельной сети, что может явиться непростой задачей для традиционного кабельного решения, особенно если новая АТС устанавливается в районе, где кабельная канализация перегружена или отсутствует.

Стремительное развитие российского рынка средств связи является следствием рест­руктуризации отрасли, появлением значительного числа инвесторов и собственников средств связи. Одновременное развитие рыночных отношений в других сферах экономики привело к бурному росту числа предприятий различных форм собственности, а значит и росту числа новых абонентов (пользователей), преимущественно делового сектора. Такие абоненты, как правило, нуждаются не только в телефонной связи, но и в подключении к электронной почте, получении видеоконференцсвязи, услуг интеллектуальной сети и ISDN, доступе к сети Internet и всевозможным базам данных.

Все это требует развития сетей абонентского доступа. Простое увеличение числа мед­ных кабелей далеко не всегда целесообразно по экономическим показателям. Современная индустрия средств связи для "последней мили" предлагает несколько альтернативных реше­ний, которые рассматриваются в книге. Каждому из решений посвящена отдельная глава. Ав­торы не утверждают, что в каждом разделе дано исчерпывающее описание методов реализа­ции той или иной технологии сети доступа. Однако приведенный материал, без сомнения, будет полезен при практическом выборе решения.

В книге не рассматриваются вопросы строительства кабельных линий и смежные во­просы. Упоминание того или иного типа кабеля призвано прежде всего дать представление о среде передачи, используемой оборудованием доступа.

В книге даны некоторые основополагающие сведения по терминологии и методам по­строения цифровых систем передачи, упомянуты средства, применявшиеся на участке "по­следней мили" в прошлом. Достаточно подробно описаны основные алгоритмы аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования, общепринятые для оборудования доступа.

Наиболее простым и экономичным способом увеличения емкости распределительной сети, предназначенной для предоставления услуг аналоговой телефонии, является примене- ние цифровых систем передачи для абонентских линий (ЦСПАЛ). Это оборудование часто на- зывают также аппаратурой уплотнения абонентских линий. Аппаратура ЦСПАЛ нашла широкое применение на сетях связи России и, поэтому, описана достаточно подробно.

Ключевое значение в революции на абонентских линиях имело появление технологий xDSL и особенно HDSL, различным аспектам и приложениям которых уделено достаточное внимание.

Коротко рассмотрены специализированные средства доступа к сетям интегрального об- служивания (ISDN), Вместе с тем, возможности предоставления услуг ISDN приводятся по хо- ду изложения во всех главах книги.

В тех случаях, когда прокладка кабельных линий нецелесообразна, а также для мобиль- ного развертывания сети доступа, эффективным может оказаться беспроводное подключение абонентов (Wireless Local Loop). Рассмотрены радиосистемы для такого решения проблемы "последней мили". Необходимо отметить, что за рамками изложения остались всевозможные радиотелефонные системы домашнего и офисного типов, системы связи с подвижными объ- ектами, системы пейджинговой связи (радиовызова), а также оборудование радиорелейных линий, в том числе используемое на абонентском участке. Авторы не стремились охватить все виды радиооборудования, применяемые в сетях доступа, акцент был сделан на специали­зированные решения, предназначенные для обеспечения подключения абонентов к местным телефонным сетям.

Достаточно подробно описана концепция построения гибких сетей абонентского досту­па и специализированное оборудование (мультиплексоры и концентраторы) для их построе­ния. Оборудование доступа типа DLC (Digital Loop Carrier) позволяет довести до пользовате­лей высокоскоростные потоки как по электрическому, так и по волоконно-оптическому кабе­лям, радиорелейным линиям и линиям спутниковой связи. В книге описаны принципы по­строения оборудования DLC и приведены примеры построения сетей с использованием этого оборудования.

В книге авторы стремились показать, в каких условиях на "последней миле" целесооб­разно использовать те или иные технические средства.

Книга предназначена для широкого круга читателей. Авторы надеются, что приведенные материалы будут интересны операторам связи, специалистам, занимающимся разработкой и производством цифровых систем передачи, а также облегчат потенциальному потребителю решение задачи выбора вида оборудования.

Телефонная сеть является самой протяженной, разветвленной и доступной сетью электросвя­зи. Основная часть информации (около 80%) у нас в стране до сих пор передается по теле­фонным сетям. Монтированная емкость отечественной телефонной сети общего пользования (ТфОП) превышает 27 млн. номеров (планируется до 40-45 млн.), всего в мире насчитывается свыше 800 млн. телефонных аппаратов.

Телефонная сеть состоит из телефонных станций (ТС), к которым подключаются або­нентские оконечные устройства (ОУ), телефонных узлов (ТУ), через которые осуществляются межстанционные соединения, и линий связи. Следует отметить, что оконечные устройства. как правило, подключаются к телефонным станциям, но не к телефонным узлам. Линии, через которые оконечные устройства присоединяются к телефонной станции, называются абонент­скими (АЛ), а линии, соединяющие телефонные станции и узлы между собой - соединитель­ными (СЛ) (рис. 1.1).



Рис. 1.1. Примеры построения телефонной сети

Понятие "последняя миля" ("Last Mile") относится к небольшому участку телефонной се­ти (рис. 1.2) - только к абонентской линии, которая как бы закреплена за определенным або­нентом (пользователем), проблема "последней мили" заключается в выборе способа органи­зации абонентского подключения (доступа) к сети и выборе соответствующего оборудования.

ОС - оконечная станция. УС - узловая станция. ЦС - центральная станция, УВС - узел входящих сообщений, УИС - узел исходящих сообщений

Телефонная сеть общего пользования - это сеть, предназначенная для предоставления телефонной связи всем пользователям, т.е. физическим и юридическим лицам [1]. Далее для обозначения физического или юридического лица, пользующегося телефонной связью, ис­пользуется термин "абонент", как довольно устоявшийся за долгую историю телефонии [2, З].

Раньше оконечным устройством телефонной сети был телефонный аппарат, а компью­тер выполнял только вычислительные функции. Затем длительное время процесс развития шел по пути использования телефонных сетей общего пользования для передачи сигналов от ЭВМ. Когда обмен информацией от ЭВМ достиг сравнительно значительной величины, стало целесообразным создание телекоммуникационных сетей, представляющих собой совокуп­ность средств электросвязи для доставки информации удаленным абонентам (пользователям) и средств хранения и обработки подлежащей передаче информации. Указанная совокупность включает также программные средства, обеспечивающие пользователям предоставление ус­луг одного или нескольких видов: обмен речевыми сообщениями (в том числе и традиционная телефонная связь), данными, файлами, факсимильными сообщениями, видеосигналами, дос­туп к всевозможным базам данных и т.д.

Следует заметить, что телекоммуникационная сеть, построенная на определенных еди­ных цифровых принципах коммутации и передачи информации, получила название цифровой сети интегрального обслуживания - ISDN (Integrated Services Digital Network).

В настоящее время телефонная сеть успешно используется как основа для развития и создания всевозможных телекоммуникационных сетей, систем и служб. На рис. 1.3 показан пример построения телекоммуникационной сети, объединяющей, в основном, пользователей компьютеров (ПК) на основе обмена информацией между ними и узлом. Эта сеть включает в себя телекоммуникационный узел (ТКУ), где находится центральный компьютер, соединенный с абонентами линиями телефонной сети через модемы - устройства, преобразующие дис­кретные сигналы от компьютера в аналоговые для передачи через сеть [4]. ТКУ обеспечивает абонентам данной сети доступ к всевозможным базам данных. Следует отметить, что модемы для организации обмена информацией через телефонную сеть должны выбираться со стан­дартными протоколами ITU-T (International Telecommunications Union - Telecommunications Standardization Sector, Международный союз электросвязи, сектор стандартизации электро­связи), обеспечивающими довольно высокую скорость передачи, даже если реальная ско­рость, которая определяется качеством каналов и линий связи, значительно ниже [5].

Такую же структуру имеет подключение абонентов к ТКУ через выделенные телефонные сети, например, сеть "Искра-2" (выделенной называется сеть, не имеющая выход на сеть связи общего пользования, в действительности такие сети, как правило, выход имеют). Сеть "Искра-2" (ее полное название - Цифровая сеть делового обслуживания) является высокока­чественной телефонной сетью, выделенной по обслуживанию и предоставляющей, кроме услуг телефонной сети. услуги электронной почты и факс-почты. Сеть "Искра-2" предоставляет услуги телекоммуникационной сети более, чем в 615 городах России и других странах СНГ.



Рис. 1.3. Пример построения телекоммуникационной сети

Привлекательным с точки зрения расширения возможностей телекоммуникационной се­ти является подключение ТКУ к сети коммутации пакетов через центр коммутации пакетов или концентратор со сборщиком-разборщиком пакетов (на рис. 1.3 не показано).

Часто целесообразным является подключение (организация шлюза) к телеграфной сети типа АТ/Телекс (сеть AT - Абонентский телеграф). Следует отметить, что в настоящее время сложилась довольно парадоксальная ситуация: с ростом потребностей на современные услу­ги документальной электросвязи с 1992 года наблюдается устойчивое снижение спроса на услуги телеграфной сети [б]. Это объясняется серьезной конкуренцией со стороны интенсив­но развивающихся сетей, предоставляющих услуги телематических служб: факсимильная связь, электронная почта, доступ к информационным ресурсам, служба передачи голосовых сообщений (голосовая почта).

Под телематическими службами обычно понимаются службы, создаваемые на основе уже существующей сети (например, телефонной) с целью обмена информацией через эти сети [7]. Наибольшее распространение получили: телетекс - передача деловой корреспон­денции. позволяющая сохранить содержание и форму текста; видеотекс - передача текста и цветных графических изображений на экран телевизора по телефонной сети; телефакс (бюрофакс) - передача факсимильных сообщений, при этом Бюрофакс предлагает услуги пере­дачи сообщений потребителям, не имеющим собственных соответствующих технических средств.

Однако, состояние российской телефонной сети не вполне удовлетворяет требованиям, предъявляемым к ней как к транспортной среде телекоммуникационной системы. Половина АТС на ТфОП уже отработали свои амортизационные сроки и требуют обновления. Телефон­ная сеть в общем-то не предназначена для передачи дискретных сообщений. Такие характе­ристики сети, как неравномерность амплитудно-частотной характеристики затухания и груп­пового времени запаздывания, кратковременные перерывы связи, импульсные помехи, дро­жание фазы, существенно влияют на верность передачи дискретных сообщений. Коэффици­ент ошибок при трансляции сообщений через АТС электромеханических систем в отдельных случаях может достичь сотых долей , что часто является недопустимым [7].

Резкое снижение скорости передачи может быть вызвано применением на городской телефонной сети (ГТС) аналоговых систем передачи (уплотнения), например, типа КРР и КА­МА [10].

Развитие телекоммуникационных сетей и служб связано с переоборудованием АТС, за­меной аналоговых систем передачи на цифровые. Трудности переоснащения сетей связаны в настоящее время с тем, что государственная телефонная сеть общего пользования как еди­ное целое прекратила свое существование. Местные телефонные сети перешли в ведение самостоятельных предприятий связи, что замедляет инвестирование средств в информаци­онную инфраструктуру.

По планам развития ТфОП в ближайшее время предполагается ввод в эксплуатацию значительной номерной емкости за счет установки новых электронных (цифровых) коммута­ционных станций и замены устаревших АТС декадно-шаговой и координатной систем. На те­лефонных сетях при этом сохраняется также аналоговое коммутационное и каналообразующее оборудование. Поэтому новые технические средства, применяемые на так называемой "последней миле", должны быть пригодны для работы как с аналоговым, так и с цифровым оборудованием. Именно этот факт характеризует специфику российских телефонных сетей, так как в большинстве западных стран вся сеть связи оснащена цифровой техникой.

В мировой практике сфера информационного бизнеса является весьма привлекатель­ной с точки зрения вложения капитала, так как дает возможность инвесторам получать гаран­тированные доходы в течении примерно 15 лет после возврата первоначально вложенного капитала. Средний срок эксплуатации оборудования связи, как правило, значительно превос­ходит этот срок. В наших условиях срок окупаемости оборудования больше при меньшей норме прибыли (около 11% к вложенному капиталу) [8].

Значительную часть общих затрат на сооружение ГТС составляют затраты на абонент- • скую распределительную сеть (до 30%) [З]. Наиболее распространены следующие способы, позволяющие повысить эффективность использования АЛ. а также получить абонентам до­полнительный доступ к телефонной и другим сетям (через ресурсы ТфОП):

1. спаренное включение телефонных аппаратов;

2. применение всевозможного каналообразующего оборудования (систем уплотнения и мультиплексоров);

3. организация выноса станционного оборудования в места концентрации абонентов (под­станции и концентраторы);

4. бесшнуровое подключение (радио доступ).

При спаренном включении двух близко расположенных телефонных аппаратов (ТА), ка­ждому из которых присвоен свой абонентский номер, оба подключаются к одной АЛ. На рис. 1.4 показано такое подключение к АТС через комплекты спаренных аппаратов (КСА), при этом в корпусах спаренных ТА вмонтированы разделительные диодные цепи, позволяющие переключать ТА при поступлении соответствующего вызова. При разговоре по одному ТА,

второй отключается от общей линии запертыми диодами. Как показывают расчеты, примене­ние спаренного включения оказывается выгодным по затратам, начиная с расстояния 0,3-0.5 км от АТС [2]. Данный способ снижает расход кабеля, но является крайне неудобным и нежелательным для абонентов.