МАТЕРИАЛЫ ПО КУРСУ
«Основы инфокоммуникационных технологий»
(читался в МФТИ в гг.)
Лектор: к. т.н., с. н.с. ()
Составитель: Коптюбенко Евгений (студент МФТИ, гр. 217)
ОГЛАВЛЕНИЕ
Часть 1. Принципы связи_ 4
Цели, задачи курса_ 4
Программа курса_ 4
Основные понятия_ 4
Связь 4
Рынок связи_ 5
Роли и запросы участников рынка связи_ 5
Виды деятельности оператора связи (FAB-модель) 6
Структура сети связи_ 6
Архитектура сетей связи в России (ВСС РФ) 7
Иерархическая структура сети связи России_ 8
Развитие связи_ 9
Вехи истории связи_ 9
Тенденции развития технологий связи_ 10
Тенденции развития микроэлектроники_ 10
Сети и услуги связи_ 11
Особенности сетей связи как предмета деятельности_ 11
Основные требования к сетям связи_ 11
Услуги в связи_ 11
Систематика сетей связи_ 11
Физические основы связи_ 12
Виды электрических сигналов связи_ 12
Использование диапазонов частот в связи_ 14
Стандартизация в связи_ 14
Исследовательские комиссии (Study groups) МСЭ-Т (2003 г.) 16
Серии Рекомендаций МСЭ-Т_ 16
Часть 2. Сигналы в электросвязи_ 17
Структура канала передачи_ 17
Сигналы и каналы. Граница Шеннона_ 18
Измерение количества информации_ 18
Информационная модель канала связи_ 19
Некоторые фундаментальные закономерности_ 20
Оцифровка аналоговых сигналов 22
Затухание сигналов в канале 23
Спектр речи_ 25
Кодирование, модуляция, качество передачи сигналов_ 26
Кодирование речи и качество_ 26
Кодирование цифровых сигналов для передачи по линиям_ 26
Спектры импульсов 27
Кодирование цифровых сигналов 28
Качество цифровой передачи_ 29
Виды цифровой модуляции_ 30
Эффективность различных видов модуляции (по использованию спектра) 31
Требования к пропускной способности для разных видов сервиса_ 31
Кабели и диапазоны_ 32
Часть 3. Транспортные сети_ 34
Тенденции улучшения характеристик транспортных сетей_ 34
Общая характеристика транспортных сетей_ 34
Требования к транспортным сетям_ 35
Функциональные компоненты сетей_ 35
Группообразование в аналоговых системах передачи (ЧРК) 36
Виды устройств_ 37
Цифровые системы передачи ПЦИ: иерархия сигналов_ 38
Синхронная цифровая иерархия_ 45
Система передачи DWDM (CWDM) 49
Подходы к надежности_ 50
Часть 6. Сетевое управление 53
Сетевое управление: определения_ 53
Стандарты ITU-T TMN_ 55
Пример: физическая архитектура управления сетью SDH_ 63
Часть 8. ATM_ 68
Концептуальные основы АТМ_ 68
Никакой защиты от ошибок и процедур управления потоком на участках между узлами_ 70
Ограничение функций обработки заголовка_ 71
Размер поля информации_ 72
Процедура обработки заголовка_ 75
Принципы синхронизации в АТМ_ 76
Структура стека протоколов АТМ_ 78
Физический уровень 79
Уровень АТМ_ 80
Уровень адаптации АТМ_ 80
Форматы АТМ_ 81
Номера виртуальных каналов и виртуальных путей_ 82
Типы передаваемых данных_ 83
Приоритеты селлов в системе 85
Часть 1. Принципы связи
Цели, задачи курса
Цели курса:
1. Дать введение в основные принципы, методы, подходы к решению задач, технологии современной связи.
2. Провести обзор современных технологий связи, особенностей построения современных систем и сетей связи (электросвязи).
Задачи курса:
1. Создать теоретическую и практическую базу для постановки и решения задач в области связи.
2. Создать основу для взаимодействия со специалистами различных специальностей при проектировании, разработке, организации эксплуатации систем и сетей связи.
Программа курса
Введение Основные понятия и принципы электросвязи Сигналы и каналы электросвязи Системы передачи и транспортные сети Телефонные сети Сети передачи данных Телематические службы Сети подвижной радиосвязи Сети с интеграцией служб10. Системы сетевого управления и биллинга
11. Качество в электросвязи
Основные понятия
Связь
1) Передача и прием информации с помощью различных технических средств.
2) Отрасль народного хозяйства, обеспечивающая передачу и прием почтовых, телефонных, телеграфных, радио - и др. сообщений.
|
 |  |
(Рис. 1.1)
Электросвязь - передача информации посредством электрических (оптических) сигналов, распространяющихся по проводам (проводная связь), или (и) радиосигналов (радиосвязь) | Почтовая связь передача почтовых отправлений (писем, газет, бандеролей…) |
Рынок связи
Роли и запросы участников рынка связи
|
(Рис. 1.3)
Виды деятельности оператора связи (FAB-модель)
(Рис. 1.4)
Структура сети связи
(Рис. 1.5)
Архитектура сетей связи в России (ВСС РФ)
(Рис. 1.6)
Иерархическая структура сети связи России
(Рис. 1.7)
Развитие связи
Вехи истории связи
(Рис. 1.8)
Тенденции развития технологий связи
(Рис. 1.9)
Тенденции развития микроэлектроники
(Рис. 1.10)
Сети и услуги связи
Особенности сетей связи как предмета деятельности
• Масштабность (большая размерность задач)
• Сложность
• Стохастичность
• Многопараметричность / многокритериальность (Производительность – Качество – Стоимость)
• Многотехнологичность (PSTN – ISDN – Internet – ATM)
• Инерционность развития
Основные требования к сетям связи
• Эффективность (в смысле бизнес-управления)
• Расширяемость – мереется ценой расширения и способностью контролировать цены.
• Масштабируемость – расширяемость в определенном диапазоне.
• Высокая надежность (измеряется коэффициентом готовности Кг > 0.99995 – для телефонной связи)
• Эксплуатационная пригодность
• Необходимая производительность
• Соответствие стандартам
• Разнообразие обеспечиваемых услуг (оборудование и сеть = “service enabler”)
Услуги в связи
Услуга связи – деятельность по приему, обработке, хранению, передаче, доставке сообщений электросвязи или почтовых отправлений (ФЗ О связи 2003 г.)
Услуга – функциональные возможности, предоставляемые одним объектом (поставщиком услуг – service provider) другому (пользователю – service user). Все услуги делятся на:
1. Телефонию
2. Передачу данных.
Сеть диктует услуги только вместе с возможностями терминала.
Систематика сетей связи
По видам передаваемых сигналов
1. Цифровые - в каждый момент времени сигнал может принимать одно из целочисленного конечного набора значений
2. Аналоговые
По способу распределения информации
1. Коммутируемые
2. Некоммутируемые (dedicated/»выделенные»)
Физические основы связи
Виды электрических сигналов связи
(Рис. 1.11)
По видам коммутации
1. С коммутацией каналов (гарантированное качество, минимальные задержки при передаче) - До передачи информации создается канал связи
2. С коммутацией сообщений - сообщение пользователя передается с промежуточным накоплением в транзитных узлах
3. С коммутацией пакетов - сообщение пользователя нарезается на пакеты для последующей передачи
По режиму доступа пользователей
1. Общего пользования (public)
2. Частного пользования
По роли в многоуровневой архитектуре сети
1. Сеть уровня помещения пользователя (CP – customer premises)
2. Сеть доступа (Access)
3. Местная (локальная – Local)
4. Магистральная сеть (Core)
По охватываемой территории
Сети масштаба:
• здания, кампуса, города, района / междугородная / международная
По виду предоставляемых услуг связи
1. Телефонные
2. Телевизионные
3. Мультимедийные
4. Передача данных
5. Телематические (передачи сообщений, доступ к базам информации, факсимильные…)
6. С интеграцией служб (интегрированного обслуживания)
7. Конвергентные услуги
По виду используемой среды передачи (см. Рис. 1.12):
(Рис. 1.12)
По возможной мобильности пользователей:
1. Стационарные (Fixed)
2. Мобильные (Mobile)
3. Сотовые (Public Land Mobile)
Использование диапазонов частот в связи
(Рис. 1.13)
Стандартизация в связи
Основная цель – обеспечение «Сквозных» (end-to-end) услуг, независимо от :
• используемых технологий
• поколений оборудования
Основной механизм – совместимость оборудования/сетей
Совместимость - комплексное свойство систем, характеризуемое их способностью взаимодействовать при функционировании (ГОСТ 34.003)
Что стандартизуется
• основные понятия и термины
• номенклатура и спецификации услуг
• функциональность сетей и оборудования
• эталонные (reference) структуры сетей
• алгоритмы функционирования и взаимодействия
• спецификации устройств (функциональных блоков) и интерфейсов (функциональные, конструктивные, электрические, алгоритмические, информационные)
• средства формализованного описания (языки, диаграммы)
Что НЕ стандартизуется
• Реализация
Структура Международного союза электросвязи
(Рис. 1.15)
Исследовательские комиссии (Study groups) МСЭ-Т (2003 г.)
ИК2 – Технические аспекты предоставления услуг, работы сетей и характеристик
ИК3 – Принципы тарифов и учета
ИК4 – Управление сетями и техническое обслуживание
ИК11- Требования к сигнализации и протоколы
ИК12- Характеристики сетей/терминалов с точки зрения сквозной передачи информации
ИК13- Многопротокольные и IP-сети
ИК15- Оптические и иные транспортные сети
ИК16- Мультимедийные услуги, системы и терминалы
ИК17- Сети передачи данных и программное обеспечение телекоммуникационных систем
Спец. ИК - IMT-2000 и следующие поколения
Серии Рекомендаций МСЭ-Т
А – Организация работы
B – Определения, символы, классификация
D – Тарификация
E – Услуги, управление услугами, качество
F – Нетелефонные услуги
G – Системы и среда передачи, цифровые системы и сети
H – Мультимедийные системы
I - Цифровая сеть с интеграцией служб
M - Управление сетью, техническое обслуживание
О – Требования к измерительному оборудованию
Р – Качество передачи речи
Q – Коммутация и сигнализация
V – Обмен данными по телефонной сети
X – Сети передачи данных и взаимосвязь открытых систем
Y – Глобальная информационная инфраструктура и аспекты Интернет
Z – Языки программирования и основные аспекты ПО
Часть 2. Сигналы в электросвязи
Структура канала передачи
Канал передачи данных состоит из:
1.Источника сообщений (человек, окружающая среда...)
- Сообщение – информация в материальной форме (речь, музыка, изображения, текст, параметры некоторого объекта) .
2. Преобразователь неэлектрического сообщения в электрическую форму.
- Преобразователи: микрофон, телевизионная трубка, персональный компьютер
3. Кодирующее устройство (кодирование источника, при котором используется IRA – international reference alphabet) .
- Кодер преобразует электрический сигнал к виду, удобному для обработки, хранения, передачи по системе связи. В современных системах связи все сигналы преобразуются в шифровую форму, т. е. в кодовые комбинации из «1» и «0». Помехоустойчивое кодирование. Надо передать n бит, а передают n+k бит, т. к. анализируя лишние биты k, можно обнаружить или исправить ошибки. Код – правило формирования избыточных битов. Контроль четности. Также применяется контроль четности – считаем все единицы и, если они четные, то в избыточном бите пишем «0», иначе пишем единицу. В полученном сообщении, проведя контроль четности, можно обнаружить произошла ошибка или нет. Однако, контроль четности не спасает от четного числа ошибок, т. к. в этом случае меняется ечтное число единиц или нулей на противоположные и четность от этого не меняется. Статистически приемлимый уровень избыточности – определяется услугой, которую оказывают и, также, определяется ценой потери информации.
4. Модулятор.
- Модуляция – согласование получившегося сигнала с возможностью передач. Модулятор изменяет электрический сигнал к виду, удобному для обработки, хранения, передачи по системе связи. В современных системах связи все сигналы преобразуются в шифровую форму, т. е. в кодовые комбинации из «1» и «0» Для передачи исгналов по каналам необходимо знать скорость модуляции – 1/(период смены характеристик модулирующего сигнала). Если передаем двоичную информацию, то скорость модуляции равно единице. Скорость модуляции измеряется в Бодах. OFDM – ортогональная частотная цифровая модуляция – каждая единица передается сложной системой.
5. Выходное устройство.
- Выходное устройство согласует параметры модулятора с параметрами линии связи.
6. Линии связи с помехами
- Помехи.
- 1. Излучение вселенной 2. Тепловые шумы (колебание тела, шумы в железных кабелях) 3. Помехи соседних линий связи – перекресные наводки 4. Энергетические излучения Самые большие шумы в эфире!
7. Входное устройство
- Входное устройство согласует параметры линии связи с параметрами приемника. На выходе его мы имеем такой же сигнал, как на входе передатчика, но на полезный сигнал наложены разные помехи.
8. Демодулятор.
- Демодулятор превращает модулированный высокочастотный сигнал в импульсы «1» и «0», которые были на входе омдулятора (на выходе кодера)
9. Декодер
- Декодер превращает цифровой сигнал в исходный сигнал, который был на выходе преобразователя передатчика.
10. Преобразователь электрического сигнала в сообщение
11. Приемник сообщения.
Сигналы и каналы. Граница Шеннона
Измерение количества информации
Пусть источник информации имеет алфавит A = {ai | i = 1..n}
и каждый символ ai генерируется с вероятностью pi. Тогда
количество информации, содержащееся в символе
ai, оценивается величиной
Ii = log 1/pi
Обычно основание логарифма – 2, и единица измерения называется «бит» (bit – BInary digiT)
Среднее количество информации на символ
H = S Ii pi
называется энтропией (источника)
Информационная модель канала связи
Как посчитать вероятность того, что примем не то, что отправлялось?
В результате случайного процесса можем получить другой сигнал, т. к. помеха может перевести один сигнал в другой. Если помеха аддитивна, то она имеет нормальное распределение.
Вероятность ошибки - вероятность того, что сигнал перескочит на другой уровень, тогда приемник будет воспринимать сигнал, как другой (интеграл от функции распределения).
Модель канала
Для определения количества полученной информации необходима стохастическая модель канала (вероятностная можель канала).
Пусть Ai - алфавит источника, а Bi – алфавит принятых символов.
(Рис. 1.16)
I (A, B) = H(A) – H(A/B) – Взаимная информация.
Где H(A/B) = S P(bk) S P(Ai/Bk) log (P(Ai/Bk)) - условная энтропия – энтропия шумов.
Некоторые фундаментальные закономерности
Теорема отсчетов («Теорема Котельникова»)Сигнал с ограниченным спектром F может быть полностью восстановлен по своим мгновенным значениям (выборкам), следующим с частотой 2F. (Для того, чтобы восстановить огибающую сигнала, необходимо применить фильтр нижних частот).
Теорема Шеннона («формула Шеннона – Хартли»)Ёмкость канала(максимальная пропускная способность – максимально возможная скорость передачи информации по каналу) с шириной полосы F определяется выражением:
С = F log (1+Pc/Pп)
(F - ширина полосы канала в Гц, Рс – мощность сигнала, Рп – мощность помехи)
Граница Шеннона, как скорость света, - не достижима.
3. Теорема Шеннона («Теорема о кодировании источника»)
Если производительность источника информации меньше ёмкости канала, сообщения с выхода источника могут быть переданы по каналу и восстановлены на приёмном конце со сколь угодно малой вероятностью ошибки (…всегда существует способ кодирования источника, обеспечивающий сколь угодно малую вероятность ошибки).
Пусть есть канал с пропускной способностью F и существует источник. Если скорость источника меньше границы Шеннона, то всегла существует такой псособ кодирования источника, который обеспечивает сколь угодно малую вероятность ошибки.
Эти коды должны быть достаточно (непрактично) длинными.
Вопрос к экзамену: Может ли код обнаружить все Д-кратные ошибки (в Д-разрядах принято не то, что отправлялось), если кодовое расстояние больше или равно Д+1?
Оцифровка аналоговых сигналов
Затухание сигналов в канале
Затухание симметричного кабеля
Затухание симметричного кабеля
При передачи по симметричным кабелям при скоростях – десятки mbit/sec, нормальный участок передачи – единицы киллометров.
Затухание ВОЛП
Волокно – смерть расстояний – цена передачи потока на км.
В окне прозрачности (10-100 ГГц) позволяет передавать данные на скорости 40 Gbit/sec.
Коаксиал и его затухание
Коаксиал бывает:
Тонкий – кабель для телевизора...
Толстый - кабель междугородной связи…
Спектр речи
Кодирование, модуляция, качество передачи сигналов
Кодирование речи и качество
Кодирование цифровых сигналов для передачи по линиям
Требования к кодированию:
• Устойчивость к помехам
• Эффективное использование полосы канала
• Способность обеспечить синхронизацию битов
• Независимость от содержания передаваемых данных (прозрачность)
Спектры импульсов
Кодирование цифровых сигналов
Качество цифровой передачи
Виды цифровой модуляции
Эффективность различных видов модуляции (по использованию спектра)
Требования к пропускной способности для разных видов сервиса
Кабели и диапазоны
WiFi – технология беспроводных локальных сетей (беспроводной Ethernet). Радиус действия около 100 м. HotSpot – место, где можно подключиться к WiFi. (стандарты ieee 802.11)
WiMax – почти WiFi, но характеристики в эфире лучше. Передают на расстоянии до 30 км.
Технологии GPRS и Edge являются расширением стандарта второго 2G поколения GSM (полоса частот вокруг 900 МГц)
3G – обеспечивает скорость передачи данных 2Mbit/sec.
2.5G – GPRS, EDGE – в рамках GSM позволяют ускорить передачу данных.
Ресурсы связи – восстанавливаемые (кабель) и невосстанавливаемые (эфир).
При передачи сигнала на большие расстояния, используют регенераторы (промежуточные усилители) – релейные станции на пути следования сигнала. Когда сигнал спадает до уровня шума, его надо ретранслировать. Длина регенерационного участка – расстояние между узлами сети регенерации. В теории дальней связи, передача цифровых сигналов, на скорости более 10 mbit/sec, требует ретранслицию на расстоянии около 10 км.
Handover – без обрыва соединения можно с помощью сигнализации переключиться с одной вышки на другую. Используется, когда абонент, разговаривая по телефону, переезжает (на машине, на электричке...) из одной зоны обслуживания в другую.
Чтобы передать сигнал телефонного качества, ширина канала должна быть 4 КГц. Один телефонный разговор требует 64 Kbit/sec.
Вещательный канал – (стандарт 3x4КГц) тройной телефонный канал).
При xDSL модуляции (A, H, SH) (кабельный абрнентский модем) скорости передачи данных 2 Mbit/sec можно достич при длинах кабеля 2-3 км.
Часть 3. Транспортные сети
Тенденции улучшения характеристик транспортных сетей
Рис. 0.1
Общая характеристика транспортных сетей
Транспортные сети – сети, предоставляющие коммутируемым (вторичным) сетям типовые каналы передачи (есть и альтернативные трактовки!: 1. НЕ сети доступа 2. НЕ системы предоставления услуг). Транспортные сети – перенос информации между двумя точками с допустимыми искажениями. В IP, транспортные сети выполняют роль оборудования, обеспечивающее работу четырех уровней модели OSI. В сетях передачи данных мы получаем услугу в режиме Client-Server.
NGN – Next Generation Network.
IN – Intelligent Network – способ стандартного подключения баз данных к телефонным сетям.
Транспортная сеть – слоение всех сетевых возможностей на три слоя (рис. 0.2):
– нижний – транспортный
– управления (control, коммутация)
– сервисы (платформы услуг)
Вышестоящий слой использует ресурсы нижестоящего слоя и еще включает свои методы.
Рис. 0.2
Требования к транспортным сетям
Максимальное использование полосы пропускания линий связи Требуемая дальность передачи Широкий спектр услуг (скоростей и параметров каналов) Расширяемость * Масштабируемость * Гибкость при доступе к услугам(способность быстро и дешево предоставить/перестроить услуги) Высокая надежность, живучесть
(Кг ~ 0.99995-0.99999 для элемента сети)
Функциональные компоненты сетей
Рис. 0.3
Линии связи – средства передачи (волноводы, спутниковые системы)
Системы передачи – комплекс оборудования, который подключается к линиям связи и передают по ним сигналы. Все сигналы должны быть застандартизованы.
Кросс-коннекторы – кроссовая коммутация, оперативное переключение каналов. Cross-connect – переключение, которое применяется в рамках транспортных сетей, которое отличается от телефонной коммутации тем, что при нормальной коммутации во вторичных сетях соединение устанавливается автоматически по информации, которую устанавливает абонент (абонент активно участвует в наборе номера – ждет гудка после «восьмерки», набирает добавочные номера...)
Сигнализация – механизмы передачи цифр номера и команд для установления связи. Сигнализация позовляет через интернет передавать все виды трафиков. Кросс-коннекторы работают не по сигнализации от абонентов, а от самой станции – от оператора. Внешний сигнал управляет коммутацией.
Группообразование в аналоговых системах передачи (ЧРК)
ЧРК – частотное разделение каналов. Перенося простые сигналы по спектру, создаются групповые тракты. 12 телефонных каналов образуют первичную группу (полоса пропускания – 48 кГц).
Grooming – сортировка, перераспределение.
Масштабы передачи: 1) Масштаб помещения. 2) Масштаб города. 3) Междугородная передача. (со скоростью 64 kbit/Sec можно передавать движущуюся черно-белую картинку. 300 kbit/Sec – граница картинок в цвете).
Масштабируемость – цена увеличения пропускной способности. Если зависимость цены от пропускной способности - прямая, то система расширяема, а, если экспоненциальная зависимость, то нерасширяема.
Расширяемость – пределы, в которых доступна емкость сетей.
Рис. 0.4
Рис. 0.5
Виды устройств
Мультиплексоры – позволяют объединить ряд компонентных сигналов вместе для передачи по какой-то линии.
В линии связи сигнал ослабляется настолько, что его надо усилить. Усилитель – аналоговые сигналы, регенератор – цифровая передача данных.
Усилительный (регенераторный) участок – расстояние между мультиплексором и усилителем.
– до нескольких десятков Mbit/Sec – несколько километров
– волоконные оптические сети позволяют делать регенерационный участок в десятки киллометров.
– Рекорд усилительного участка – 1000 км!
DXC – Digital Cross Connector – цифровой кросс-коннектор (X – термин ввели американцы, поэтому X – от слова cross). У него нет пользовательских интерфейсов, а только линейные интерфейсы. DXC – соединяет частные каналы в линии связи и переключает их (с разных направлений связи).
Цифровые системы передачи ПЦИ: иерархия сигналов
Системы передачи делятся на STM и ATM
1) Synchronous Transfer Mode – синхронный режим переноса. STM – каждому сигналу выделяется свой time-slot (резервирование временных позиций), а на приеме эти позиции восстанавливаются.
2) ATM – асинхронный режим переноса. Не выделяются конуретные time-slot, а информация передается в пакетах (IP).
Первым стандартом была ПЦИ. Для физической передачи используется асинхронный порт.
Так как передача может начаться в любой момент, используется асинхронная передача.
При чисто синхронной передаче имеем непрерывный поток битов без страт-стопов.
Плезиохронная передача подразумевает, что каждое устройство пытается определить скорость передачи, следовательно, приборы работают почти на одинаковых частотах (примерно 10-5 – 10-6).
Рис. 0.6
Плезиохронная цифровая иерархия
1. Канал синхронный 64.000 бит/с. 8 КГц – частота Найквиста-Котельникова и по 8 бит достаточно, чтобы закодировать сигнал. Следовательно, если сделать квантование 1/256 всего размаха, то на приеме помехи не ощущаются.
2. Кадры. Длительность кадра – 125 мс.
3. Мультиплексирование сигнала.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 |
