Санкт Петербургский государственный университет информационных технологий механики и оптики
Реферат
По истории информатики на тему
“История развития технологий передачи голосовых данных”
Аспирант: | |
Кафедра: | ПКС |
Специальность: | 05.13.12 |
Санкт-Петербург
2008 г.
Оглавление
Введение. 3
1 Возникновение телефонной связи. 3
2 Возникновение АТС.. 4
3 Второе поколение телефонии. 6
3.1 Аналоговая и цифровая передача сигналов. 7
3.2 Методы передачи сигналов. 8
3.3 Новая сигнальная система. 9
3.4 Новые услуги PSTN.. 10
3.5 Новая система номеров PSTN.. 11
4 Возникновение и развитие мобильной связи. 12
4.1 1G.. 13
4.2 2G.. 14
G.. 15
4.4 3G.. 15
G.. 16
4.6 4G.. 16
5 Развитие IP-телефонии (VoIP) 17
6 Основные события в истории развития телефонной техники. 19
Заключение. 21
Список литературы.. 22
Введение
Потребность в передаче речи на большие расстояния возникла в глубокой древности. Древняя история включает в себя такие средства связи как деревянные барабаны, сигнальные костры, голубиная почта и фельдъегерская связь, оптический телеграф Шаппа и многие другие предметы, которые стали звеньями технологий своего времени, а также довольно немаловажными вехами в истории цивилизации.
1 Возникновение телефонной связи
Днем рождения телефонной связи (передачи речи на значительные расстояния посредством электрических сигналов) считается 7 марта 1876 года. В этот день получил в Чикаго патент на первый, практически реализуемый телефонный аппарат, на который подал заявку 14 февраля 1876 г. Сегодня не существенно, что попытки создания телефона были предприняты еще до Белла, да и сам термин "телефон" появился ранее. Не существенно и то, что Белл на собственное техническое решение натолкнулся случайно, занимаясь проблемами тонального телеграфа. Существенно же то, что для развития общества необходимо было создать телефонную связь, а Белл первым предложил практический способ удовлетворения этой потребности человечества.
Открытие Белла знаменовало начало эры телефонии. А термин "телефония" имеет достаточно широкое значение, охватывающее все научно-технические аспекты телефонной связи.
После 1876 г. телефонная связь стала самым массовым видом связи, как по количеству абонентов-пользователей, так и по объемам информации, передаваемой по сетям [2]. Такая значимость телефонной связи объясняется тем, что она лучше других технических средств обеспечивает эффект личного контакта: телефонное сообщение одновременно передает смысловую информацию (текст), индивидуальные признаки говорящего и эмоциональную окраску сообщения. Приближение к непосредственному общению стало еще более значительным с появлением видеотелефона.
Рисунок 1. Телефонные аппараты фирмы Bell company 80-х и 90-х годов XIX века.
За прошедшие 132 года телефония прошла путь от предложенного Беллом простейшего электромагнитного телефона, позволявшего вести разговор в полудуплексном режиме с абонентом в соседнем помещении, до глобальных сетей телефонной связи наших дней [3].
Вскоре после изобретения Белла стало ясно, что сам по себе телефонный аппарат без средств, обеспечивающих установление различных соединений "по требованию" не найдет широкого применения. Уже в 1878 г. была введена в эксплуатацию первая телефонная станция, обслуживающая абонентов в зоне небольшого города Нью-Хейвен (США). Далее, по мере создания других зон телефонной связи, возникла необходимость соединения между абонентами отдельных зон. Так родилась концепция многоуровневой иерархической структуры сети телефонной связи.
Телефонные сети, вне зависимости от масштабов и сложности, состоят из элементов, которые можно объединить в три группы:
· абонентские терминалы (обычно - телефонные аппараты);
· линии связи (абонентские и соединительные линии);
· центры коммутации или телефонные станции [5].
2 Возникновение АТС
Первые телефонные станции (ТС) были станциями с ручным обслуживанием (РТС). Пример операционного зала городской РТС начала XX века изображён на рис. 2. К 20-м годам XX столетия процесс совершенствования РТС был завершен. Абонентские емкости РТС достигли предельных для шнуровых коммутационных полей значений. Примером может служить центральная московская РТС, емкость, которой в 1916г. составляла 60 тыс. номеров [1]. В 30-е годы РТС начали вытесняться автоматическими станциями. Замечу, что и в наши дни РТС еще эксплуатируются в некоторых сетях специального назначения.
Рисунок 2. Операционный зал городской РТС начала XX века.
Идея автоматизации процесса коммутации в телефонной станции, процесса трудоемкого и состоящего из многократно повторяющихся единообразных операций, возникла давно, еще в 1885 г. Первые автоматические ТС (АТС) появились в годах. Изобретение в 1889 г. братьями Строуджер декадно-шагового искателя создало технологическую основу для создания АТС декадношаговой системы (АТС ДШ), ставших в 40-50-е годы основным типом АТС в мире. Благодаря простоте и неприхотливости в обслуживании электромеханические АТС декадно-шаговой системы (станции типа АТС-47, АТС-54) находятся в эксплуатации и в наши дни, хотя выпуск их и прекращен [1].
Хронологически последней и наиболее совершенной системой среди электромеханических АТС стала АТС координатной системы (АТСК) с централизованным релейным устройством управления и высокопроизводительным устройством коммутации, выполненном на многократных координатных соединителях (МКС). Идея МКС была предложена еще в 1914 году, первая же АТСК была пущена в 1926 г. в Швеции; там же в 40-х годах фирма Ericsson начала серийный выпуск семейства АТСК. В 50-х и 60-х годах XX столетия в промышленно развитых странах система АТСК заняла лидирующее положение. В Советском Союзе выпускались системы АТСК, АТСК-У для городских телефонных сетей; междугородные станции АМТС-2 и АМТС-3, а также ряд малых и средних АТС типов К-100/2000; К-40/80; К-50/200 [4]. Следует отметить, что предпринимаются попытки модернизации эксплуатируемых АТСК: электромеханические релейные устройства управления (блоки маркеров и регистров) заменяются электронными аналогами, внедряются электронные схемы в комплекты абонентского и линейного интерфейсов и т. п. Эти меры улучшают некоторые параметры АТСК.
АТС квазиэлектронной системы (АТСКЭ) - хронологически последняя система АТС для аналоговых сетей связи. Разработка АТСКЭ началась в 50-е годы XX столетия, а в 1964 г. первая АТСКЭ (США, станция Е881) была введена в опытную эксплуатацию. При создании АТСКЭ использовались новейшие для тех лет технологии. Так, схемы коммутации (коммутационные поля) собраны из коммутационных матриц на герконах и ферридах. Миниатюрность и быстродействие таких матриц (по сравнению с релейными соединителями МКС) объясняет термин "квазиэлектронные". Но основное и принципиальное отличие системы АТСКЭ от предыдущей системы АТСК заключалось в том, что задачи управления в АТСКЭ стал выполнять специализированный компьютер [9].
Применение компьютера в роли центрального устройства управления превратило телефонную станцию в "АТС с управлением по записанной программе" или "АТС с программным управлением". Последний термин краток, понятен и общеупотребителен, хотя и недостаточно корректен, поскольку любая телефонная станция выполняет программу обслуживания вызовов.
Необходимо подчеркнуть, что в предыдущих системах АТС (декадно-шаговых и координатных) их устройства управления (УУ) были автоматами с "вмонтированной" (жесткой) логикой, другими словами, автоматами, выполняющими лишь ту программу, которая была заложена в них при изготовлении. Сказанное относится как к электромеханическим, так и к электронным УУ, которыми оборудовались модификации поздних АТСК [9].
Рисунок 3. Шаговый искатель и декадно-шаговая АТС
АТС с программным управлением (АТС ПУ), в отличие от предыдущих систем АТС, приобрели целый ряд чрезвычайно важных свойств. Во-первых, - это увеличение пропускной способности АТС за счет большей производительности компьютера, а также уменьшение габаритов и упрощение периферийных функциональных узлов АТС благодаря замене многочисленных интерфейсов между функциональными узлами АТС единым интерфейсом "компьютер - функциональные узлы".
Во-вторых (по порядку, но не по значимости), - это приобретение важных свойств и возможностей:
· обеспечение надежности АТС за счет организации тестирования и глубокого контроля, обнаружения и исправления ошибок. При этом в АТС ПУ сокращаются расходы на нужды технического обеспечения и эксплуатации;
· расширение номенклатуры дополнительных видов обслуживания (ДВО), предоставление абонентам новых экономичных услуг;
· гибкая тарификация;
· выполнение комплекса задач динамического управления телефонной сетью; обеспечение административного управления [6].
Одновременно с применением методов программного управления начался бурный процесс электронизации аппаратных средств телефонной связи. Ее основные элементы (терминалы, устройства передачи и телефонные станции) переводились на новую электронную элементную и технологическую базу. Этот процесс начался в ходе создания АТС квазиэлектронной системы с электронным устройством управления. В следующем поколении АТС - АТС электронной системы (АТСЭ) - процесс электронизации завершился полностью.
Помимо очевидных преимуществ (технологичность производства, массогабаритные показатели и т. п.) электронизация телефонии создала технологические условия для цифровизации последней.
Первоначально переход от аналоговых сетей и систем телефонной связи к цифровым преследовал достижение технических преимуществ: использование новых цифровых технологий, упрощение систем сигнализации и способов группообразования (уплотнения) в линиях связи, улучшение регенерации сигналов и увеличение дальности связи и другое. В дальнейшем одновременное воздействие на традиционную телефонию таких мощных технологических факторов, как электронизация, цифровизация и компьютеризация (привнесшая в телефонию средства программного управления) привели к революционным изменениям современной телефонии [6].
До 70-х годов XX столетия развитие телефонии носило эволюционный характер: сети телефонной связи оставались аналоговыми и предназначались для доставки речевой информации по заданному адресу (телефонному номеру). Конечно, помимо точной адресации информации к сети телефонной связи предъявлялись требования по качеству передачи речи (достаточная громкость, разборчивость и натуральность речи в месте приема) и вероятностно-временным характеристикам доставки (нормы задержек и потерь информации). Эволюционные изменения системы телефонной связи имели характер количественного увеличения емкости и пропускной способности сетей и улучшения показателей качества обслуживания. Также заметим, что на этом этапе другие виды связи (телеграфная, документальная и факсимильная, передача данных) обслуживались специализированными сетями и только частично прибегали к услугам сетей телефонной связи вследствие высокой степени их распространения.
3 Второе поколение телефонии
Второй период развития телефонии, начавшийся в 70-е годы XX столетия, внес в нее радикальные изменения.
Основой телефонии стали новые технологии:
· электронная технология позволила перевести все аппаратные средства телефонии на электронную элементную и технологическую базу;
· цифровая технология на основе представления различных видов информации в единой цифровой форме интегрировала обслуживание различных видов связи, а также объединила системы передачи и коммутации;
· компьютерная технология, применение которой выразилось не только в использовании компьютеров в роли устройств управления АТС, но и в создании компьютерных терминалов, позволила абоненту получать услуги разных видов связи с помощью единого терминала [8].
Рисунок 4. Ручной коммутатор начала прошлого века и офисная АТС 2000 года.
На рис. 4 изображены ручной коммутатор начала прошлого века и офисная АТС 2000 года. При равной абонентской емкости отличаются во много десятков раз
по массо-габаритным показателям числу предоставляемых услуг
Компьютеризация телефонии, называемая компьютерно-телефонной интеграцией (Computer Telephone Integration - CTI), позволяет объединять различные сети, системы передачи, коммутации, управления и терминальные устройства [1].
3.1 Аналоговая и цифровая передача сигналов
Все, что слышит человек, включая человеческую речь, является аналоговым сигналом. Несколько десятилетий назад телефонная сеть была построена на основании аналоговой инфраструктуры.
Хотя аналоговая связь идеальна для человеческих переговоров, она не имеет надежной и эффективной защиты от шума в канале. (Причиной шума в канале обычно является статическое электричество, наводимое в голосовой сети близлежащими электрическими устройствами или радиопередатчиками.) Телефонные каналы очень чувствительны к индуктивности или напряжению, наводимому близлежащими линиями электропередачи. В прежние времена, для усиления аналогового сигнала в телефонии сети, использовались усилители. Однако при этом усиливался не только голос, но и шум в канале. Поэтому шум в канале зачастую делал соединение непригодным [6].
Если телефонный аппарат находится слишком далеко от конечной коммутационной станции, к которой протянут физический кабель, то для увеличения амплитуды аналогового сигнала (голоса абонента) может понадобиться промежуточный усилитель. Шум в канале, накладывающийся на аналоговый сигнал, может существенно исказить исходную форму аналоговой волны. Это будет особенно заметно для слушателя, если канал между телефоном и конечной коммутационной станцией содержит много усилителей. Как демонстрирует рис. 5, усилитель не очищает сигнал, а просто усиливает его вместе с шумом, увеличивая существующее искажение. Шум, увеличенный при прохождении одного голосового сигнала через несколько усилителей, называется накопленным шумом [6].
Рисунок 5. Искажение сигнала в аналоговом канале.
Шум в канале у цифровых сетей создает меньше проблем, поскольку повторители не только усиливают сигнал, но и очищают его до исходного состояния. Эта возможность обусловлена тем, что цифровая связь основана на единицах и нулях. Как показано на рис. 6, повторитель (гереа1ег), т. е. цифровой усилитель, должен решить, восстановить ли ему 1 или 0.
Рисунок 6. Искажение в цифровом канале.
Следовательно, при повторении сигнала звук остается чистым. Когда это преимущество цифрового представления сигнала стало очевидно, начался перевод телефонных сетей на импульсно-кодовую модуляцию.
3.2 Методы передачи сигналов
Самым популярным методом передачи сигналов аналоговой связи между пользователем и сетью является двухтональный многочастотныи набор (Dual Tone Multi-Frequency - DTMF). DTMF также называют внутриполосной передачей сигналов, поскольку тоны передаются по голосовому каналу [5].
Цифровая клавиатура DTMF представляет собой матрицу клавиш 4x4, где каждый ряд соответствует низкой частоте, а каждый столбец — высокой. Нажатие одной из клавиш, например <0>, приводит к передаче синусоидального тона из двух частот— 941 и 1336 Герц (Гц). Поскольку используется два тона, такой способ вызова называется двухтональным многочастотным набором. Впоследствии эти два тона декодируются коммутатором, который определяет нажатую клавишу.
Когда абонент снимает телефонную трубку и нажимает клавиши, звучащий при этом тон сообщает центральной коммутационной станции номер, с которым необходимо установить соединение.
ISDN использует и другой метод передачи сигналов - внеполосный. Этот метод подразумевает передачу сигналов по каналу, отдельному от голосового. Канал, по которому передают голос, данные и факс, называется несущим или В-каналом (В channel), его пропускная способность 64 Кбит/с. Канал, по которому передают сигнал, называется каналом данных (data channel) или каналом управления (control channel), или D каналом (D channel) [8].
Передача сигналов вне основной полосы предоставляет множество преимуществ, включая следующие:
- Передача сигналов мультиплексирована (объединена) в общий канал. Уменьшена зеркальность (зеркальность возникает, когда два абонента с разных концов того же канала пытаются одновременно вызвать друг друга). Меньше задержка после завершения набора. Более высокая пропускная способность. Поскольку установочные сообщения не страдают от шума в том же канале, как тоны DTMF, вызов происходит значительно быстрее.
Внутриполосная передача сигналов имеет несколько проблем, самой большой из которых является возможность потери тонового сигнала. Это происходит, когда сигнал передается по голосовому каналу. Именно из-за этого, как правило, не удается дистанционно проверить голосовую почту.
При передаче сигналов между сетями использует такие внутриполосные методы передачи, как многочастотный (Multi-Frequency - MF) и на основе "краденых" битов (Robbed Bit Signaling - RBS). Эти же методы могут быть использованы при передаче сетевых сигналов [9].
3.3 Новая сигнальная система
Сигнальная система № 7 (Signaling System 7 SS7) — это стандарт сигнальной системы общего канала, разработанный в 1970-х годах сектором стандартизации при Международном телекоммуникационном союзе (International Telecommunication Union Telecommunication Standardization Sector— IТU-Т), прежде называвшимся Международным консультативным комитетом по телефонии и телеграфии (Consultative Committee for International Telegraph and Telephone - CCITT). Система SS7 произошла от системы SS6, разработанной в 1960-х годах и представлявшей собой первое поколение сигнальных систем общего канала. Первоначально система SS7 была разработана для приложений управления телефонных вызовов. Впоследствии приложения SS7 значительно усложнились, но сегодня функциональные возможности SS7 обеспечивают обращения к базам данных, транзакции, сетевые операции и цифровые сети с комплексным обслуживанием (Integrated Services Digital Network – ISDN).
Сеть SS7 обеспечила интеллект существующей сети РSTN. Система SS7 используется для передачи сигналов вне основной полосы в коммутируемой телефонной сети общего пользования (PSTN). Передача сигналов SS7 расширяет возможности сети PSTN, поддерживая установку вызова, обмен информацией, маршрутизацию, операции, учет и обеспечивая услуги интеллектуальной сети (Intelligent Network— IN).
В то время как на протяжении последних 10 лет сети VOIP продолжали быстро расти, важность протокола SS7 для передачи голосовых данных по сетям IP и PSTN также возрастала. Пока пользователи сетей VOIP нуждаются для подключения в использовании устаревших сетей PSTN, критически важно, чтобы точки преобразования (шлюзы) между этими двумя сетями работали безотказно и обеспечивали эффективный канал связи. Хотя когда-нибудь в будущем вся связь перейдет на VOIP, очень важно обеспечить плавность этого перехода и сохранять некоторые из возможностей, к которым уже привыкли многие конечные пользователи [6].
Задачей системы SS7 являлось обеспечение единого стандарта передачи сигналов по телефонной сети во всем мире. Но этого не произошло, было разработано множество национальных вариантов, таких как стандарты ANSI (American National Standards Institute - Американский национальный институт стандартов) и Bellcore (BELL Communications Research – научно-исследовательское подразделение компании RBOC), используемые в США, а также стандарта ETSI (European Telecommunications Standards Institute – Европейский институт телекоммуникационных стандартов), используемый в Европе. В России данную систему сигнализации пинято называть ОКС-7.
3.4 Новые услуги PSTN
Многие услуги, повсеместно доступные теперь, несколько лет назад просто не существовали. Эти услуги можно разделить на две общие категории — средства специального вызова (custom calling) и средства CLASS.
Средства специального вызова обеспечивает конечная коммутационная станция, а не вся сеть PSTN, передающая информацию с одного коммутатора канала (circuit switch) на другой. Однако средствам CLASS необходимо, чтобы соединение SS7 смогло передать их из конца в конец PSTN.
Ниже приведен список некоторых популярных услуг специального вызова, предоставляемых ныне PSTN.
· Ожидание вызова (call waiting). Уведомляет абонента, заказавшего вызов, о поступлении нового звонка.
· Перенаправление вызова (call forwarding). Позволяет абоненту переадресовать входящие вызовы по другому номеру.
· Множественный вызов (three-way calling). Обеспечивает конферени-связь.
В сети SS7 появляются дополнительные возможности. Ниже приведен список некоторых из достоинств средств CLASS.
· Представление (display). Отображает вызывающий номер или осуществляет автоматическую идентификацию номера (Automatic Number Identification - ANI).
· Блокировка вызова (call blocking). Блокировка входящих вызовов по определенным номерам, с сообщением вызывающему о том, что вызов не принят.
· Блокировка идентификатора вызывающего канала (calling line blocking). Блокировка представления номера исходящего вызова на аппарате получателя. (Это не работает при вызове службы по номеру 800 и некоторых других служб.)
· Автоматический обратный вызов (automatic callback). Позволяет отложить связь с последним вызываемым номером, если получен сигнал "занято", а затем автоматически связаться с вызывавшим, если он сейчас свободен. Иногда это называется также режимом ожидания.
· Возврат вызова (call return) (*69). Позволяет абонентам быстро отвечать на пропущенные вызовы [6].
Многие эти возможности доступны благодаря применению сетей SS7 и IN. Большинство каналов информационного обмена (Inter-Exchange Carrier – IXC) также предоставляют абонентам следующие дополнительные возможности.
· Коммутация междугородных каналов. Обычная междугородная связь (как правило, на более высокой частоте).
· Телефонная карточка (calling card). Предварительно оплаченная расходная телефонная карточка. Набираете номер, вводите пароль и вызываете абонента.
· Номера 800, 888и 877. Вызывающая сторона не обязана платить за обращение; скорее, вызываемая сторона (обычно выше номинала).
· Виртуальные закрытые сети (Virtual Private Network - VPN). Телефонная компания устанавливает собственную систему набора. Это может существенно уменьшать количество внутреннего персонала информационной службы передачи данных.
· Закрытые арендованные каналы (private leased line). Закрытые арендованные каналы, от 56 Кбит/с до ОС-48, позволяют передать в различные сети как данные, так и голос. Наиболее популярная скорость в Северной Америке — Т1.
· Виртуальные каналы (virtual circuit). Обычно на Frame Relay или асинхронном режиме передачи (ATM). Телефонная сеть (IXC или LEC), коммутирующая пакеты. Они передают пакет за пакетом (или ячейка за ячейкой в АТМ), не ориентируясь на выделенный канал [6].
Этот список дополнительных возможностей содержит лишь некоторые из популярных платных услуг PSTN. Хотя PSTN развивается и потребители используют все больше ее новых возможностей, основные навыки пользователей остались практически неизменными начиная с появления цифровых сетей телефонной связи.
3.5 Новая система номеров PSTN
Одним из самых медленно изменяющихся компонентов является система телефонных номеров. Появление дополнительных каналов доступа к Интернету, сотовых телефонов и факсов привело к относительной нехватке телефонных номеров. Данный раздел посвящен системе номеров PSTN и тому, что следует ожидать в ближайшем будущем.
В некоторых местностях Соединенных Штатах Америки даже для внутригородского звонка необходимо набрать 1 + 10 цифр. По мере увеличения количества устройств, которым требуются телефонные номера, это тенденция станет все более распространенной. Необходимость набирать 1 + 10 цифр локального номера обычно вызвана перекрытием (overlay). Перекрытие может привести к тому, что у соседей будут разные коды города. Суть перекрытия заключается в том, что регион с одним междугородным телефонным кодом накладывается на регион с другим кодом города. Это позволяет абонентам избежать необходимости набирать код города, но вынуждает всех жителей этой области набирать 10 цифр при любом вызове.
Некоторые местности не требуют применения 1+, достаточно 10 цифр. В Хьюстоне, например, набор 1+ означает автоматизированный ответ, поэтому набор 1 не нужен. Однако все остальные 10 цифр необходимы.
По существу, в PSTN используются две системы нумерации — Североамериканская система нумерации (North American Numbering Plan - NANP) и Международная система нумерации (International Numbering Plan - INP), разработанная сектором стандартизации при Международном телекоммуникационном союзе (ITU-Т), прежде называвшимся Международным консультативным комитетом по телефонии и телеграфии (CCITI) [6].
Система NANP
NАNР — это система набора из 11 цифр, которая состоит из трех частей: области системы нумерации или кода города (NPA), кода центрального коммутатора (NXX) и номера станции.
Код NРА имеет формат NXX, где N — значение от 2 до 9, а X — значение от 0 до 9.
Систему NАNР называют также 1 + 10. Это означает, что после первой цифры 1 номера следует еще 10 цифр NPA-NXX-ХХХХ. Это позволяет конечной коммутационной станции определить, следует ли ей ожидать 7 цифр номера телефона или 10.
На конечной коммутационной станции LEC по статической таблице выясняет, какой провайдер междугородней связи будет дальше использован. Каждый междугородный канал имеет код. Эти коды присваиваются Североамериканской ассоциацией систем нумерации и добавляются к набираемому номеру, чтобы обеспечить выбор правильного канала междугородней сети (IXC) [6].
Международная система нумерации ITU-T
Рекомендация ITU-T Е.164 констатирует, что для передачи вызова определенному абоненту необходимо указать код страны (CC), национальный код получателя (NDC) и номер абонента (SN).
Код СС состоит из одной, двух или трёх цифр. Первая цифра (1-9) определяет всемирную зону нумерации. Список всех определенных СС находится в рекомендации ITU-T Е.164.
Размер NDC и SN зависит от конкретной страны (не более чем 15 цифр для каждого).
Рекомендации ITU-T содержат также много других рекомендаций и спецификаций для международных систем нумерации.
Однако на данный момент системы телефонных номеров могут показаться не столь важными для успешного развертывания и реализации передачи голосовых данных по сетям IP (Voice over IP - VOIP) или традиционных сетей с коммутацией каналов [6].
Независимо от системы набора, используемой в каждой стране, их жителям следует ожидать в ближайшее время некоторых изменений в системе телефонных номеров.
Говоря о втором периоде в истории телефонии, следует отметить не только радикальный характер происходящих изменений, но и высокий их темп, особенно возросший в течение последних десятилетий. Появились системы и сети с интеграцией услуг (ISDN - Integrated Services Digital Network). Успешно развиваются такие приложения телефонии, как мобильные сети связи (описано ниже), также сети беспроводного абонентского доступа. Наконец, развивается технология IР-телефонии (описано ниже), обеспечивающая передачу речи по сетям пакетной коммутации. Направление компьютерно-телефонной интеграции привело к созданию единых программно-аппаратных платформ с сосредоточением всех функций в одной системе - интеллектуальном сервере сети. Отмечается рост мультимедийных приложений (передача видеоконференций и т. п.).
4 Возникновение и развитие мобильной связи
Генрих Герц в 1888 году открыл способ создания и обнаружения электромагнитных радиоволн. В 1895 году 25 апреля русский учёный Александр Степанович Попов сделал доклад, посвящённый методу использования излученных электромагнитных волн для беспроводной передачи электрических сигналов, содержащих информацию. В марте 1896 года провёл эксперимент, в котором на 250 метров передал радиограмму с двумя словами «Генрих Герц».
Через несколько лет, в Кронштадте под руководством учёного был налажен выпуск принимающей и передающей аппаратуры. Предприимчивый итальянец Гульельмо Маркони заинтересовался новым изобретением, подал патент в Англии и создал подобное устройство, чуть усложнив схемы . Впоследствии, для военных нужд в Англии была организована компания «Маркони».
История беспроводной связи начинается в далёком 1901 году. В июле того года, английской компании «Маркони» удалось передать сигналы из станции Польдю в Англии в станцию Сент-Джонс в Ньюфаунленде. Сама компания была в начале двадцатого века единственной, кто осуществлял проводную междугороднюю и международную связь. Сигналы ежедневно передавались по кабелям, проложенными между США и Европой.
Но, это лишь предпосылки. Настоящая история сотовой связи начинается в 1946 году в городе Сант-Луинс, США. Сотовый телефон является дуплексной радиостанцией, ведущей обмен на разных частотах. В наличии принимающая часть и передающая, обеспечивающие связь с базовой станцией (БС) или ретранслятором. Канал БС-телефон называется downlink, а телефон-БС – uplink [7].
Компания AT&T Bell Laboratories создала радиотелефоны, устанавливающиеся в автомобилях. Вся аппаратура в начале была громоздкой и тяжёлой. Переключение абонента между каналами связи, в поисках свободного, осуществлялось вручную. Радиопередатчик позволял пассажирам или водителю связаться с АТС и таким образом совершить звонок. Надо упомянуть, что само телефонное общение было сложным – нельзя было и слушать и говорить одновременно. Система связи поддерживала 23 пользователя одновременно и предназначалась для бизнесменов, переезжающих из Нью-Йорка в Бостон.
Вес аппарата-первооткрывателя сотовой связи составлял 30 кг и для работы он требовал подключения к электросети, поэтому становится ясно, почему первые в мире «мобильники» устанавливались в машинах. Но, инновационная идея Bell Laboratories оказалась неудачной – слишком уж дорого выходило пользование услугами мобильной связи. Впрочем, зерно было посеяно. Для связи обычно выделяется диапазон с фиксированными частотными каналами. Если в одно время используются близкие по частоте каналы связи, то общаться с помощью телефонов практически невозможно. В это же время компания разработала систему ячеек или сот (cell – откуда и пошло сегодняшнее название сотовых телефонов) [7].
Принцип действия сот прост. Ранее для общения выделялось всего несколько каналов, и пользователи могли создавать друг для друга не только помехи, но и прослушивать телефонные разговоры. Теперь же проезжающая машина, попадая в другую соту, могла использовать любую частоту, без опаски наткнуться на занятый эфир. То есть, чем больше ячеек, тем меньше помех и тем больше абонентов могут использовать сотовую связью.
Эстафету в создании беспроводной связи подхватила Motorola. Всего Motorola затратила 15 лет и $ 100 миллионов на создание первой мобильной сети. Весной 1973, 3 апреля, сотрудники Motorola на вершине 50-этажного здания в Нью-Йорке установили первую базовую станцию [7].
В истории мобильной связи выделяют несколько поколений (генераций).
4.1 1G
Все первые системы сотовой связи были аналоговыми. К ним относятся:
· AMPS (Advanced Mobile Phone Service — усовершенствованная мобильная телефонная служба, диапазон 800 МГц) — широко используется в США, Канаде, Центральной и Южной Америке, Австралии; известен также как «североамериканский стандарт»; это наиболее распространенный стандарт в мире, обслуживающий почти половину всех абонентов сотовой связи (вместе с цифровой модификацией D-AMPS, речь о которой впереди); используется в России в качестве регионального стандарта (в основном — в варианте D-AMPS), где он также является наиболее распространенным;
· TACS (Total Access Communications System — общедоступная система связи, диапазон 900 МГц) — используется в Англии, Италии, Испании, Австрии, Ирландии, с модификациями ETACS (Англия) и JTACS/NTACS (Япония); это второй по распространенности стандарт среди аналоговых; еще недавно, в 1995 г., он занимал и общее второе место в мире по величине абонентской базы, но в 1997 г. оттеснен на четвертое место более быстро развивающимися цифровыми стандартами;
· NMT 450 и NMT 900 (Nordic Mobile Telephone — мобильный телефон северных стран, диапазоны 450 и 900 МГц соответственно) — используется в Скандинавии и во многих других странах; известен также как «скандинавский стандарт»; третий по распространенности среди аналоговых стандартов мира; стандарт NMT 450 является одним из двух стандартов сотовой связи, принятых в России в качестве федеральных (второй — цифровой стандарт GSM 900);
· С-450 (диапазон 450 МГц) — используется в Германии и Португалии;
· RTMS (Radio Telephone Mobile System — мобильная радиотелефонная система, диапазон 450 МГц) — используется в Италии;
· Radiocom 2000 (диапазоны 170, 200, 400 МГц) — используется во Франции;
· NTT (Nippon Telephone and Telegraph system — японская система телефона и телеграфа, диапазон 800…900 МГц — в трех вариантах) — используется в Японии [9].
Во всех аналоговых стандартах применяются частотная модуляция для передачи речи и частотная манипуляция для передачи информации управления (или сигнализации — signaling). Для передачи информации различных каналов используются различные участки спектра частот — применяется метод множественного доступа с частотным разделением каналов (Frequency Division Multiple Access — FDMA), с полосами каналов в различных стандартах от 12,5 до 30 кГц. С этим непосредственно связан основной недостаток аналоговых систем — относительно низкая емкость, являющаяся прямым следствием недостаточно рационального использования выделенной полосы частот при частотном разделении каналов. Этот недостаток стал очевиден уже к середине 80-х годов, в самом начале широкого распространения сотовой связи в ведущих странах, и сразу же значительные силы были направлены на поиск более совершенных технических решений. В результате этих усилий и поисков появились цифровые сотовые системы второго поколения. Переход к цифровым системам сотовой связи стимулировался также широким внедрением цифровой техники в связь в целом и в значительной степени был обеспечен разработкой низкоскоростных методов кодирования и появлением сверхминиатюрных интегральных схем для цифровой обработки сигналов.
4.2 2G
В США аналоговый стандарт AMPS получил столь широкое распространение, что прямая замена его цифровым оказалась практически невозможной. Выход был найден в разработке двухрежимной аналого-цифровой системы, позволяющей совмещать работу аналоговой и цифровой систем в одном и том же диапазоне. Работа над соответствующим стандартом была начата в 1988 г. и закончена в 1992 г.; стандарт получил наименование D-AMPS, или IS-54 (IS — сокращение от Interim Standard, то есть «промежуточный стандарт»). Его практическое использование началось в 1993 г. В Европе ситуация осложнялась наличием множества несовместимых аналоговых систем («лоскутное одеяло»). Здесь выходом оказалась разработка единого общеевропейского стандарта GSM (GSM 900 - диапазон 900 МГц). Соответствующая работа была начата в 1982, г., к 1987 г. были определены все основные характеристики системы, а в 1988 г. приняты основные документы стандарта. Практическое применение стандарта началось с 1991 г. Еще один вариант цифрового стандарта, по техническим характеристикам схожий с D-AMPS, был разработан в Японии в 1993 г.; первоначально он назывался JDC, а с 1994 г. — PDC (Personal Digital Cellular — буквально «персональная цифровая сотовая связь»). Но на этом развитие цифровых систем сотовой связи не остановилось [7].
Стандарт D-AMPS дополнительно усовершенствовался за счет введения нового типа каналов управления. Дело в том, что цифровая версия IS-54 сохранила структуру каналов управления аналогового AMPS, что ограничивало возможности системы. Новые чисто цифровые каналы управления введены в версии IS-136, которая была разработана в 1994 г. и начала применяться в 1996 г. При этом была сохранена совместимость с AMPS и IS-54, но повышена емкость канала управления и заметно расширены функциональные возможности системы. Стандарт GSM, продолжая совершенствоваться технически (последовательно вводимые фазы 1, 2 и 2+), в 1989 г. пошел на освоение нового частотного диапазона 1800 МГц. Это направление известно под названием системы персональной связи. Отличие последней от исходной системы GSM 900 не столько техническое, сколько маркетинговое при технической поддержке: более широкая рабочая полоса частот в сочетании с меньшими размерами ячеек (сот) позволяет строить сотовые сети значительно большей емкости, и именно расчет на массовую систему мобильной связи с относительно компактными, легкими, удобными и недорогими абонентскими терминалами был заложен в основу этой системы [9]. Соответствующий стандарт (в виде дополнений к исходному стандарту GSM 900) был разработан в Европе в 1990—1991 гг. Система получила название DCS 1800 (Digital Cellular System — цифровая система сотовой связи; первоначально использовалось также наименование PCN — Personal Communications Network, что в буквальном переводе означает «сеть персональной связи») и начала использоваться с 1993 г. В 1996 г. было принято решение именовать ее GSM 1800. В США диапазон 1800 МГц оказался занят другими пользователями, но была найдена возможность выделить полосу частот в диапазоне 1900 МГц, которая получила в Америке название диапазона систем персональной связи (PCS — Personal Communications Systems), в отличие от диапазона 800 МГц, за которым сохранено название сотового (cellular). Освоение диапазона 1900 МГц началось с конца 1995 г.; работа в этом диапазоне предусмотрена стандартом D-AMPS (версия IS-136, но аналогового AMPS в диапазоне 1900 МГц уже нет), и разработана соответствующая версия стандарта GSM («американский» GSM 1900 — стандарт IS-661) [7].
G
GPRS (англ. General Packet Radio Service — пакетная радиосвязь общего пользования) — надстройка над технологией мобильной связи GSM, осуществляющая пакетную передачу данных. GPRS позволяет пользователю мобильного телефона производить обмен данными с другими устройствами в сети GSM и с внешними сетями, в том числе Интернет. GPRS предполагает тарификацию по объему переданной/полученной информации, а не времени.
EDGE (англ. Enhanced Data rates for GSM Evolution) — цифровая технология для мобильной связи, которая функционирует как надстройка над 2G и 2.5G (GPRS) сетями. Эта технология работает в TDMA и GSM сетях. Для поддержки EDGE в сети GSM требуются определённые модификации и усовершенствования. На основе EDGE могут работать: ECSD — ускоренный доступ в Интернет по каналу CSD, EHSCSD — по каналу HSCSD, и EGPRS — по каналу GPRS. EDGE был впервые представлен в 2003 году в Северной Америке [7].
XRTT (One Times Radio Transmission Technology) — 2.5G мобильная технология передачи цифровых данных основанная на CDMA-технологии. Использует принцип передачи с коммутацией пакетов. Теоретически возможная скорость передачи 144 Кбит/сек, но на практике реальная скорость менее 40-60 Кбит/сек. 1XRTT использует лицензируемый радиочастотный диапазон и, подобно другим мобильным технологиям, широко распространена [7].
4.4 3G
Все перечисленные выше цифровые системы второго поколения основаны на методе множественного доступа с временным разделением каналов (Time Division Multiple Access — TDMA). Однако уже в 1992—1993 гг. в США был разработан стандарт системы сотовой связи на основе метода множественного доступа с кодовым разделением каналов (Code Division Multiple Access — CDMA) — стандарт IS-95 (диапазон 800 МГц). Он начал применяться с 1995 −1996 гг. в Гонконге, США, Южной Корее, причем в Южной Корее - наиболее широко, а в США начала использоваться и версия этого стандарта для диапазона 1900 МГц. Направление персональной связи нашло свое преломление и в Японии, где в 1991—1992 гг. была разработана и с 1995 г. начала широко использоваться система PHS диапазона 1800 МГц (Personal Handyphone System — буквально «система персонального ручного телефона») [7].
G
HSDPA (англ. High-Speed Downlink Packet Access — высокоскоростная пакетная передача данных от базовой станции к мобильному телефону) — стандарт мобильной связи, рассматривается специалистами как один из переходных этапов миграции к технологиям мобильной связи четвертого поколения (4G). Максимальная теоретическая скорость передачи данных по стандарту составляет 14,4 Мбит/сек., практическая достижимая в существующих сетях — около 3 Мбит/сек [7].
4.6 4G
На данный момент ITU (Международный союз электросвязи) не был определен термин "4G", следовательно его употребление применительно к определенной технологии некорректно. Технологии, претендующие на роль 4G (и очень часто упоминаемые в прессе в качестве 4G): LTE, mobile WiMaх, UMB В настоящее время все они находятся в стадии разработки с планируемым внедрением в 2008 году - мобильный WiМах, в 2009 - LTE, UMB - не известно, так как ни один оператор (в мировом масштабе) не заключил контракт на тестирование. Скорее всего в России внедрения упомянутых сетей следует ожидать через 2-5 лет после их запуска [7].
Таблица 1. Поколения сотовой связи.
Поколен. | 1G | 2G | 2.5G | 3G | 3.5G | 4G |
Начало разработ. | 1970 | 1980 | 1985 | 1990 | <2000 | 2000 |
Реализа-ция | 1984 | 1991 | 1999 | 2— | 2007 | 2008—2010 |
Сервисы | аналоговый стандарт, синхронная передача данных со скоростью до 9,6 кбит/с | цифровой стандарт, поддержка коротких сообщений (SMS) | большая ёмкость, пакетная передача данных | ещё большая ёмкость, скорости до 2 Мбит/с | увеличение скорости сетей третьего поколения | большая ёмкость, IP-ориентированная сеть, поддержка мультимедиа, скорости до сотен мегабит в секунду |
Скорость передачи | 1,9 кбит/с | 14,4 кбит/с | 384 кбит/с | 2 Мбит/с | 3-14 Мбит/с | 1 Гбит/с |
Стан-дарты | AMPS, TACS, NMT | TDMA, CDMA, GSM, PDC | GPRS, EDGE, 1xRTT | WCDMA, CDMA2000, UMTS | HSDPA | единый стандарт |
Сеть | PSTN | PSTN | PSTN, сеть пакетной передачи данных | сеть пакетной передачи данных | сеть пакетной передачи данных | Интернет |
5 Развитие IP-телефонии (VoIP)
Интеграция речи и данных обсуждается уже минимум в течение двух последних десятилетий. Ранее для каждой (общественной) службы существовала собственная сеть - например, телефонная сеть, Datex-P (X.25), Datex-L, сети данных (LAN/WAN), Btx и позднее интернет. Именно это было толчком для попыток создания сети, поддерживающей все службы.
В середине 80-х годов была предпринята первая попытка - ISDN, сетью, которая поддерживала службы для передачи речи, данных, видео и текста. Этот “первый шаг” пришёл из области речевой коммуникации и основывался на коммутации каналов в сети передачи данных со скоростью 64 kBit/s. Естественно, что это не могло работать правильно. В итоге происходит коренное изменение подходов к построению информационных сетей. Речь и данные меняются местами. Традиционные сети передачи данных базировались на магистралях с коммутацией каналов, предназначенных для телефонного трафика. При новом подходе - все наоборот: телефония будет надстраиваться над инфраструктурой сети передачи данных.
Смещение центра тяжести в область передачи данных (как показано на рисуноке 7) поставило вопрос о поиске удобного способа встраивания речи в мультимедийный цифровой поток. Причина популярности IP как раз и заключается в его восприимчивости к требованиям со стороны не только услуг передачи данных, но и приложений реального времени. Примером может служить успешно реализованная технология передачи речевой информации по сетям с маршрутизацией пакетов IP - Voice over IP (VolP) или IP-телефония [1].
Рисунок 7. Рост трафика Интернет (данные) и телефонного трафика.
Но понятие Voice over IP подразумевает не только и не столько использование сети Интернет в качестве среды передачи речи, сколько сам протокол IP и технологии, обеспечивающие надежную и высококачественную передачу речевой информации в сетях пакетной коммутации. Отсутствие гарантированного качества обслуживания при передаче речи компенсируется появлением таких технологий, как многопротокольная коммутация по меткам - Multiprotocol Label Switching (MPLS), протокол резервирования ресурсов - Resource Reservation Protocol (RSVP), дифференциальное обслуживание разнотипного трафика - Differentiated Services (DiffServ) и других. Все большую популярность приобретает передача пакетов IP, упакованных в контейнеры систем синхронной цифровой иерархии - Synchronous Digital Hierarchy (SDH), а также технология спектрального мультиплексирования - Wave Division Multiplexing (WDM). Во всех случаях необходимым условием является подчинение каждого узла системы единой политике управления трафиком [1].
По мнению некоторых, концепция передачи голоса по сети с помощью персонального компьютера зародилась в Университете штата Иллинойс (США). В 1993 году Чарли Кляйн выпустил в свет Maven, первую программу для перестройки голоса с помощью РС. Одновременно одним из самых популярных мультимедийных приложений в сети стала CU-SeeMe, программа видеоконференций для Macintosh (Mac), разработанная в Корнельском Университете.
Апрель 1994 года. Во время полёта челнока Endeavor NASA передало на Землю его изображение с помощью программы CU-SeeMe. Одновременно попробовали передать и звук. Полученный сигнал из Льюисовского исследовательского центра поступал на Мае, соединённый с Интернет, и любой желающий мог услышать голоса астронавтов. Потом одну программу встроили в другую, и появился вариант CU-SeeMe с полными функциями аудио и видео, как для Мае, так и для РС [4].
Февраль 1995 года. Израильская компания Vocal Tec предложила первую версию программы Internet Phone, разработанную для владельцев мультимедийных компьютеров, работающих под Windows. Это стало важной вехой в развитии Интернет-телефонии!
1996 год был обозначен появлением многих программных продуктов, так называемых Softphones. IP-телефония концентрировалась при этом исключительно на соединении “ПК-на-ПК”. Однако именно это было прорывом благодаря новой технологии VoIP. Попытки интеграции речи и данных с целью использования наименьшего количества сетей для максимального количества служб и приложений предпринимались давно. Но, несмотря на наличие ISDN, Voice over ATM или Voice over Frame Relay, именно благодаря Voice over IP впервые стало возможным объединить речь и данные до конечного аппарата.
В области стандартизации International Telecommunication Union (ITU-T) приняла рекомендации по стандарту Н.323, который основывался на почти 50 других стандартах. Таким образом, был принят первый норматив для мультимедийной коммуникации при помощи пакетно-ориентированых сетей без Quality of Service. Одновременно IETF разработала Realtime Transport Protocol (RTP), описанный в RFC 1889 (с 2003 года - RFC 3550), который нашёл применение в Н.323 для передачи аудиоданных. Следующие несколько лет протокол Н.323 бурно развивается, но в итоге протокол получается невероятно сложным [4].
В 1999 году в область стандартизации вместе с разработкой Session Initiation Protocols (SIP, RFC 2543) включается Internet Engineering Task Force (IETF). Это было сигналом о том, что в области Voice over IP со стороны ITU-T появился конкурент H.323. Несмотря на то, что все предыдущие продукты основывались на H.323, консультанты начали анализировать и дискутировать, какой протокол более пригоден и возглавит триумфальное шествие.
Всеобщий интерес к Voice over IP начал, однако, таять, результаты многих исследований подействовали отрезвляюще. Также либерализация и уменьшение масштабов государственного вмешательства в телекоммуникационный рынок к 1 января 1998 года вызвали падение цен для минуты соединения. Это вызвало за собой уменьшение потенциала экономии при использовании Voice over IP. Также тот факт, что комплексное решение для предприятия содержало большое количество компонентов, снижал уровень доступности LAN-телефонии по сравнению с обычной телефонной системой. О 99,99% доступности можно было только мечтать, большинство предприятий продолжали использовать телефонные системы.
Поэтому требовались новые приложения, которые могли использоваться, например, в центрах телефонного обслуживания или универсальных системах передачи и обработки сообщений.
В 2000 году в области стандартизации интернета был разработан ENUM (Telephone Number Mapping), вначале с RFC 2916 только как протокол. Затем в сентябре 2002 года в Германии было начато тестирование его применения для приложений и служб [6].
В 2002 году протокол SIP (Session Initiation Protocol), разрабатываемый IETF, с принятием RFC 3261 получил версию 2 и мог радоваться постоянно растущей популярности. Уже два года спустя все IP-провайдеры использовали для своих служб SIP.
В этом же году организация RIPE представила одну из ветвей ENUM "9.4.e164.arpa", после чего последовали приготовления для тестирования, в котором приняли участие многие предприятия.
В 2003 году важной инновацией стало принятие протокола STUN (RFC 3489) который решил проблему передачи SIP через NAT-маршрутизатор. Принцип решения заключался в том, что перед построением соединения STUN - сервер передавал вначале общественный IP-адрес NAT-маршрутизатора. В этомже году была образована фирма Skype, ставшая самой известной в этой области. Наряду с бесплатными разговорами по всему миру со Skype на Skype, предлагаются также дешевые телефонные тарифы для звонков в обычную сеть или на мобильные телефоны. Эти телефонные разговоры называются SkypeOut и SkypeIn и являются очень дешевыми по сравнению с другими.
После успеха в США, 2004 и 2005 года стали переломными также и для других стран для Voice over IP: оборудование становилось все более лучшим, все большее число провайдеров боролись за место на будущем рынке. Цены говорили сами за себя: всего за пару центов можно было позвонить в любую точку мира, а внутри сети VoIP-провайдера или одного из его партнеров - даже бесплатно. В конце 2004 года ориентировочное число пользователей в Германии было оценено цифрой в 250.000. Таким образом, рынок частных пользователей был "открыт" [6].
Это развитие было во многом связано с ростом использования широкополосных подключений.
Также в этом году медленно стало повышаться количество открытых конкурсов по внедрению IP-TK (IP PBX), частично благодаря истечению договоров по техническому обслуживанию и срокам амортизации.
6 Основные события в истории развития телефонной техники
Таблица 2. Хронология развития телефонной техники.
|
Заключение
Начиная с 1876 года, технологии передачи голоса по сетям довольно усложнились и усовершенствовались. Технологии, необходимые для обеспечения мультимедийного диалога, сейчас вполне доступны. Как известно, компьютер сегодня для этого не требуется. Просто телефонная инфраструктура связи переходит на новую модель и скоро будет способна передавать мультимедийные диалоги.
Остаётся проблема пропускной способности, необходимой для осуществления мультимедийных диалогов. Она решается в борьбе DSL - и кабельных провайдеров. Победителями, по её завершению, будут конечные пользователи, которые получат доступ к технологиям, устраняющим барьер расстояния в связи и которые произведут настоящую революцию в способах общения.
В заключение необходимо отметить, что с изменением содержания телефонии (новые технологии, приобретение новых свойств и возможностей в предоставлении услуг) изменяется отношение к ней пользователей. В наши дни признано, что любое дело невозможно вести без качественной связи, поэтому пользователи требуют предоставления им широкого круга услуг. И конкурентоспособность любой системы телефонии сейчас определяется степенью удовлетворения этого требования.
С внедрением в телефонию новых технологий изменяется ее содержание, но не изменяется ее роль в общении между людьми. Поэтому телефонии предстоит отметить еще не один юбилей.
