Тема 7. Основы Телефонии

Основное назначение телефонии - передача звукового сигнала в виде человеческой речи, музыки, шумов на расстояние. При этом должен быть охвачен весь диапазон аналоговых сигналов, воспринимаемых человеческим ухом.

При общении людей в пределах слышимости звуковые колебания, сгенерированные голосовыми связками, передаются через воздух и достигают уха слушателей. Передача осуществляется механически и представляет собой области повышенного и пониженного давления, которые распространяются в трехмерном пространстве как круги на воде от брошенного камня. По мере удаления от источника звук теряет силу, становится тише. Это происходит из-за того, что его энергия, первоначально сконцентрированная в одной точке, распределяется на все большую площадь сферы возрастающего радиуса при удалении от источника. Другая причина затухания звука – неупругий характер соударений молекул воздуха друг с другом. Все вместе заметно ограничивает расстояние, на которое разборчивая речь может быть передана по воздуху. Для увеличения этого расстояния достаточно, казалось бы, усилить звук, но и в этом случае далее 1000 м никто ничего не услышит, даже если применить рупор (Объяснение физической основы работы рупора – несложное упражнение для читателя). Значит, передача звука на большие расстояния требует иного механизма, нежели распространение по воздуху.

Такой механизм появился после патентования телефонного аппарата в 1876 г. Наличие в нем микрофона, преобразующего механические колебания воздуха в колебания электрического тока, позволяет передать такой сигнал по медным проводам. А для компенсации потерь, которые есть всегда и везде, сигнал можно периодически усиливать. Теперь расстояние можно измерять не сотнями метров, а сотнями и тысячами километров. На другом конце такой линии находится обратный преобразователь электрических колебаний в механические – телефон. Результат его работы – механические колебания воздуха - воспринимаются ухом и интерпретируются мозгом как звук. Таким образом, телефонный аппарат играет роль конвертора, необходимого для преобразования механической энергии в электрическую и обратно. Пока сигнал пребывает в электрической форме, его можно передать на большое расстояние. Соединив линиями два или более телефонных аппарата между собой, мы построим простую телефонную сеть. Но кто сможет оценить количество линий, потребное для такой сети, соединяющей каждого с каждым? Пока количество телефонных аппаратов невелико (например, для деревни в 4 двора), число проводов может оказаться приемлемым. Но когда телефон перестал быть дорогой редкостью, такой подход стал неэкономичным.

Сегодня телефонная индустрия использует коммутируемую сеть, в которой каждый телефонный аппарат (абонент – владелец этого аппарата) своею линией связи соединен с централизованным коммутатором (центральной телефонной станцией, АТС). Этот коммутатор обеспечивает связь на время соединения двух абонентов. Как только разговор завершается, передача сигнала прекращается, связь разрывается. Работа коммутируемой сети предполагает, что все абоненты одновременно разговаривать не будут. Это позволяет пользоваться одним оборудованием (коммутатором, линиями связи между АТС) совместно, что приводит к снижению затрат на реализацию, эксплуатацию и пользование сетью.

Структура коммутируемой сети выглядит так (рис.7.1):

Рис.7.1. Коммутируемая телефонная сеть

Если надо соединиться абонентам одной АТС, она сама выполнит это соединение. Для соединения абонентов разных АТС между ними должна быть магистральная линия. Если между двумя АТС проложено 100 магистральных линий, то они одновременно могут выполнить 100 соединений между своими абонентами. После окончания разговора магистральная линия освобождается и готова для обслуживания другого возможного соединения. Для соединения с абонентами других участков сети или абонентов, которым не хватает магистральных линий, используется транзитный коммутатор, связанный с другими коммутаторами этого и некоторых других участков общей сети.

Абонентская линия – выделенный канал связи абонента с АТС в виде витой пары, всегда доступен для абонента. За него взимается абонентская плата. Связь типа точка - точка в полудуплексном режиме. Это приемлемо для разговоров (трудно слушать другого и самому говорить одновременно), но весьма проблемно при попытке передавать цифровые данные, так как в этом случае необходим дуплексный режим.

Центральная АТС – основной элемент сети, с помощью которого устанавливаются временные соединения между двумя абонентами. Для этого в АТС должны приходить абонентские и магистральные линии. Для заказа разговора абонентом и отслеживания им хода установления соединения в АТС должны быть также специальные служебные каналы. Именно по ним посылаются абонентам “гудки” (тональные сигналы) и сигналы вызова по набранному номеру (собственно звонки). Структура АТС может быть представлена следующим образом (рис.7.2):

Рис.7.2. Структура АТС

Матрица, или блок коммутаторов представляет собой устройство, выполняющее физическое соединения либо абонентских линий между собой, либо абонентской и магистральной линии. Блок коммутаторов может быть:

- электромеханическим, выполнен на релейных схемах с шаговыми (декадными) искателями;

- полностью электронным, выполнен на полупроводниковых схемах с мощными оконечными каскадами;

- полностью цифровым, выполнен с применением АЦП и другой цифровой технологии.

Тип коммутатора однозначно определяет поколение АТС. В

50-60-х гг. ХХ в. АТС были электромеханическими, в 70-80-х – электронными, а с 90-х – стали цифровыми.

В функции управляющего процессора входят: контроль за установлением соединения, контроль за протеканием разговора и загрузкой ресурса. Часто на него же возложена функция биллинга – определения стоимости и выписки счетов за предоставленные услуги, например, междугородные соединения.

Центральная АТС обычно размещается в одном коммутационном шкафу. Такой шкаф вмещает не только коммутатор, но также силовое оборудование, автономное питание, оборудование служебных каналов, платы для тестирования и наладки.

Магистральные линии обычно отличаются от абонентских. Это высококачественные многоканальные цифровые линии связи, на которых могут применяться современные технологии уплотнения (мультиплексирования) трафика. В настоящее время новые магистральные линии выполняются в виде оптоволоконных кабелей. Высококачественными, но дорогими целесообразно делать объекты коллективного пользования, каковыми и являются магистральные линии.

Транзитный коммутатор – тоже АТС, но выполняющая функции коммутации центральных АТС или таких же транзитных коммутаторов. Несколько транзитных коммутаторов связаны между собой и так называемой “точкой присутствия”. Она представляет собой коммутатор, на котором сходятся магистрали нескольких транзитных коммутаторов, например, одного района. Сами “точки присутствия” также связаны друг с другом. Получается иерархическая структура, в которой, кроме связей между уровнями, имеются связи и на “своем” уровне. Роль “точек присутствия” проявляется при осуществлении междугородного (международного) соединения.

Для выполнения такого соединения вызывающая станция (ваша АТС – оператор местной связи) занимает линию междугородной телефонной сети (магистраль) и передает набранный вами номер в место присутствия междугородной (международной) сети для вызывающего абонента оператору дальней связи (междугородная АТС), маршрутизирует звонок оператору дальней связи в «точке присутствия» вызываемого абонента для доставки запроса на связь. Этот оператор на дальнем конце осуществляет физическое соединение АТС вызываемого абонента со своей “точкой присутствия”. Туда же направляет звонок вызывающий оператор дальней связи. Так занимается магистраль на АТС вызываемого абонента. Когда вызываемый абонент поднимет трубку, соединение считается выполненным. Как видим, такой звонок является объединением коммутируемых соединений в единую физическую цепь: абонент А – АТС А - “точка присутствия” оператора дальней связи А - “точка присутствия” оператора дальней связи В – АТС В – абонент В. Биллинг – учет времени и начисление платы за услуги дальней связи - происходит с момента снятия трубки вызываемым абонентом. Когда один из абонентов вешает трубку, созданная цепь разрывается, и все оборудование коллективного пользования освобождается для формирования другой цепи. Это – классическая схема коммутации физических каналов. Она работает до сих пор.

Новой тенденцией в телекоммуникации является применение технологии на основе коммутации не каналов, а пакетов для передачи речевого трафика. На сегодня самым популярным протоколом с коммутацией пакетов является протокол IP (Internet Protocol). В режиме пакетной коммутации через оборудование коллективного пользования можно пропустить больше речевых сигналов одновременно, чем при коммутации каналов. Это позволяет снизить затраты на прокладку магистральных линий связи и более эффективно использовать существующие линии. Так, при коммутации каналов весь канал (а значит, и вся полоса его пропускания) выделяется абоненту независимо от фактического времени собственно разговора, т.е. включая все паузы, во время которых канал не нагружен, следовательно простаивает. При коммутации пакетов абоненту выделяется только часть полосы пропускания канала, а во время пауз, когда канал не занят абонентом, могут быть переданы пакеты речевых сигналов других абонентов.

Рассмотрим сценарий передачи речи с использованием IP протоколов и стандартных телефонных аппаратов. Абонент А снимает трубку и соединяется со своей АТС А. Но вот дальнейший путь трафика существенно отличается от прежней схемы коммутации каналов (рис.7.3).

Рис.7.3. Соединение в сети с использованием IP-протоколов

АТС А, как показано на схеме, коммутирует абонента А со своим

IP – шлюзом А, что является местным вызовом. Шлюз запрашивает идентификатор (номер) абонента А, запоминает его и выдает тональный сигнал (гудок), разрешающий абоненту А набирать номер вызываемого абонента В. Номер абонента В помещается в буфер исходящего IP – шлюза А, который (шлюз) начинает поиск подходящего входящего IP – шлюза. После того, как входящий IP-шлюз В найден, шлюз А посылает ему серии IP – пакетов, чтобы запросить и установить удаленное соединение. Если вызов принимается, шлюз В дозванивается до вызываемого абонента В так же, как если бы он был инициатором связи. В момент, когда абонент В отвечает на звонок, формируется соединение на основе коммутации каналов между абонентом А и шлюзом А, а также между шлюзом В и абонентом В. Между шлюзами цифровой речевой сигнал передается по сети как поток IP-пакетов. При этом для передачи речевого сигнала на участках скоммутированных каналов используется стандартный способ кодирования: данные передаются в виде цифрового потока с полосой 64 кбит/с, а на участках остальной сети применяются схемы уплотнения низкоскоростных потоков (до 8 кбит/с), чтобы шлюзы могли выполнить любое необходимое преобразование. Ветвление потока пакетов возможно в любом пункте.

IP – телефония и операторы (провайдеры) Интернет-телефонии представляют сегодня быстро развивающуюся область телефонной индустрии.

Вопросы для самопроверки:

1. Какова физическая суть распространения звука по воздуху?

2. Что выполняет функции трансивера и ресивера при передаче речи по медным проводам?

3. Сколько пар проводов потребовалось бы для реализации простой сети, соединяющей каждого абонента с любым другим в городе с населением 600 тыс. человек?

4. Как классифицируются поколения АТС и что является критерием этой классификации?

5. Почему на магистральных линиях выгоднее применять более дорогие кабели высокого качества?

6. Транзитный коммутатор – «точка присутствия» чего и где? Что может играть роль такой «точки»?

7. Каковы достоинства и недостатки технологии коммутации каналов?

8. Какие преимущества и издержки принесла технология коммутации пакетов по IP-протоколу?