63387 (Цифровые системы управления связью)

1. Эталонная модель взаимодействия открытых систем

1.1. Общие положения

Эталонная модель OSI стала основной архитектурной моделью для систем передачи сообщений.

Эталонная модель OSI делит проблему передачи информации между абонентами на семь менее крупных и, следовательно, более легко разрешимых задач. Каждой из семи областей проблемы передачи информации ставится в соответствие один из уровней эталонной модели. Два самых низших уровня эталонной модели OSI реализуются аппаратным и программным обеспечением, остальные пять высших уровней, как правило, реализуются программным обеспечением.

Рис. 1.1. Пример связи уровней OSI

В качестве примера связи типа OSI предположим, что Система А на Рис. 1.1 имеет информацию для отправки в Систему В. В этом случае информация из прикладного процесса через уровень 7 сообщается с уровнем 6, который модифицирует информацию, делая ее понятной для уровня 5 и т.д. вплоть до физического уровня системы А. На стороне системы В осуществляется обратное преобразование, начиная от низших уровней до самого верхнего. Следовательно, каждый уровень Системы А использует услуги, предоставляемые ему смежными уровнями, чтобы осуществить связь с соответствующим ему уровнем Системы В. Нижестоящий уровень называется источником услуг, а вышестоящий - пользователем услуг. Взаимодействие уровней происходит в так называемой точке предоставления услуг.

Обмен управляющей информацией между соответствующими уровнями системы OSI осуществляется в виде «заголовков», добавляемых к информационной части. В принимающей системе осуществляется анализ этой информации с последующим удалением соответствующего заголовка перед передачей на верхний уровень.

Каждый уровень имеет заранее заданный набор функций, которые он должен выполнить для проведения связи.

Прикладной уровень (уровень 7) – это самый близкий к пользователю уровень OSI. Он отличается от других уровней тем, что не обеспечивает услуг ни одному из других уровней OSI. Он обеспечивает услугами прикладные процессы, лежащие за пределами масштаба модели OSI. Прикладной уровень идентифицирует и устанавливает наличие предполагаемых партнеров для связи, синхронизирует совместно работающие прикладные процессы, а также устанавливает и согласовывает процедуры устранения ошибок и управления целостностью информации. Прикладной уровень также определяет, имеется ли в наличии достаточно ресурсов для предполагаемой связи.

Представительный уровень (уровень 6) отвечает за то, чтобы информация, посылаемая из прикладного уровня одной системы, была читаемой для прикладного уровня другой системы. При необходимости представительный уровень осуществляет трансляцию между множеством форматов представления информации путем использования общего формата представления информации.

Сеансовый уровень (уровень 5) устанавливает, управляет и завершает сеансы взаимодействия между прикладными задачами. Сеансы состоят из диалога между двумя или более объектами представления. Сеансовый уровень синхронизирует диалог между объектами представительного уровня и управляет обменом информации между ними. Кроме того, сеансовый уровень предоставляет средства для отправки информации, класса услуг и уведомления в исключительных ситуациях о проблемах сеансового, представительного и прикладного уровней.

Транспортный уровень (уровень 4). Функцией транспортного уровня является надежная транспортировка данных через сеть. Предоставляя надежные услуги, транспортный уровень обеспечивает механизмы для установки, поддержания и упорядоченного завершения действия каналов, систем обнаружения и устранения неисправностей транспортировки и управления информационным потоком (с целью предотвращения переполнения системы данными из другой системы).

Сетевой уровень (уровень 3) - это комплексный уровень, который обеспечивает возможность соединения и выбор маршрута между двумя конечными системами. Поскольку две конечные системы, желающие организовать связь, может разделять значительное географическое расстояние и множество подсетей, сетевой уровень является доменом маршрутизации. Протоколы маршрутизации выбирают оптимальные маршруты через последовательность соединенных между собой подсетей.

Канальный уровень (уровень 2) обеспечивает надежный транзит данных через физический канал. Выполняя эту задачу, канальный уровень решает вопросы физической адресации (в противоположность сетевой или логической адресации), топологии сети, линейной дисциплины (каким образом конечной системе использовать сетевой канал), уведомления об ошибках, упорядоченной доставки блоков данных и управления потоком информации.

Физический уровень (уровень 1) определяет электротехнические, механические, процедурные и функциональные характеристики установления, поддержания и разъединения физического канала между конечными системами.

2. Основные сведения о сетях электросвязи

2.1. Основные определения

Сеть связи - совокупность технических средств, обеспечивающих передачу и распределение сообщений. Принципы построения сетей связи зависят от вида передаваемых и распределяемых сообщений.

В настоящее время применяют следующие принципы построения (топологии) сетей:

• "каждый с каждым". Сеть надежна, отличается оперативностью и высоким качеством передачи сообщений. На практике применяется при небольшом числе абонентов. Если произойдет обрыв одной из соединительных линий, то это не повлияет на общую работоспособность сети, т.к. существует множество обводных маршрутов следования информации.

радиальный ("звезда"). Используется при ограниченном числе абонентских пунктов, расположенных на небольшой территории. Пример, организация сети связи между абонентами и АТС. Недостаток заключается в том, что если произойдет поломка центрального узла, то нарушается работа всего узла связи в целом.

• радиально-узловой. Такую структуру имеют городские телефонные сети, если емкость сети не превышает 80...90 тысяч абонентов;

• радиально-узловой с узловыми районами. Используется при построении телефонных сетей крупных городов.

Телеграфные сети строятся по радиально-узловому принципу с учетом административно-территориального деления страны. Оконечными пунктами телеграфной сети являются либо отделения связи, либо телеграфные абоненты, обладающие телеграфной аппаратурой. Сеть имеет три уровня узловых пунктов: районные, областные и главные. Сеть передачи данных имеет схожую структуру. Сеть факсимильной связи строится на базе телефонной сети.

2.2. Сети передачи индивидуальных сообщений

Для обеспечения передачи индивидуальных сообщений необходимо связать (соединить) оконечные аппараты абонентов. Электрическая цепь (канал), состоящая из нескольких участков и обеспечивающая передачу сигналов между абонентами, называется соединительным трактом.

Процесс поиска и соединения электрических цепей называется коммутацией каналов. Сеть, обеспечивающая коммутацию каналов, называется сетью с коммутацией каналов (СКК). Узловые станции сети СКК называются станциями коммутации.

При передаче документальных сообщений кроме организации связи с коммутацией каналов возможно осуществлять поэтапную передачу сообщения от узла к узлу. Такой способ передачи получил название коммутации сообщений. Соответственно сеть, обеспечивающая коммутацию сообщений, называется сетью с коммутацией сообщений (СКС).

Разновидностью сети СКС является сеть с коммутацией пакетов (СКП). В этом случае полученное от передающего абонента сообщение разбивается на блоки (пакеты) фиксированной длины. Пакеты передаются по сети (необязательно по одному и тому же маршруту) и объединяются в сообщение перед выдачей принимающему абоненту.

Узловые станции сетей СКС и СКП называются центрами коммутации сообщений (ЦКС) и пакетов (ЦКП) соответственно.

3. Цифровые системы передачи

3.1. Преимущества цифровых систем передачи

Рассмотрим основные преимущества цифровых методов передачи перед аналоговыми.

Высокая помехоустойчивость. Представление информации в цифровой форме позволяет осуществлять регенерацию (восстановление) этих символов при передаче их по линии связи, что резко снижает влияние помех и искажений на качество передачи информации.

Слабая зависимость качества передачи от длины линии связи. В пределах каждого регенерационного участка искажения передаваемых сигналов оказываются ничтожными. Длина регенерационного участка и оборудование регенератора при передаче сигналов на большие расстояния остаются практически такими же, как и в случае передачи на малые расстояния.

Стабильность параметров каналов ЦСП. Стабильность и идентичность параметров каналов (остаточного затухания, частотной и амплитудной характеристик и др.) определяются в основном устройствами обработки сигналов в аналоговой форме. Поскольку такие устройства составляют незначительную часть оборудования ЦСП, стабильность параметров каналов в таких системах значительно выше, чем в аналоговых.

Эффективность использования пропускной способности каналов для передачи дискретных сигналов. При вводе дискретных сигналов непосредственно в групповой тракт ЦСП скорость их передачи может приближаться к скорости передачи группового сигнала. При использовании временного метода уплотнения, скорость передачи резко возрастает.

Возможность построения цифровой сети связи. Когда параметры каналов практически не зависят от структуры сети, что обеспечивает возможность построения гибкой разветвленной сети, обладающей высокими надежностными и качественными показателями.

Высокие технико-экономические показатели. Передача и коммутация сигналов в цифровой форме позволяют реализовывать оборудование на единых аппаратных платформах. Это позволяет резко снижать трудоемкость изготовления оборудования, значительно снижать его стоимость, потребляемую энергию и габариты. Кроме того, существенно упрощается эксплуатация систем и повышается их надежность.

3.2. Кодирование в цифровых системах связи

При квантовании непрерывного сигнала формируется поток бит, который оптимален с точки зрения уменьшения ошибок квантования, но не пригоден для передачи по каналу связи по ряду причин:

- выходной цифровой поток имеет широкий спектр, что затрудняет его передачу по каналу связи с ограниченной полосой пропускания и осложняет процесс регенерации сигнала синхронизации.

- спектр сигнала имеет много низкочастотных составляющих, которые могут интерферировать (смешиваться) с составляющими передаваемого низкочастотного сигнала.

- спектр содержит большую постоянную составляющую, что усложняет процесс фильтрации.

Для оптимизации спектра сигнала, передаваемого в линию связи, используется линейное кодирование, которое должно обеспечить:

- минимальную спектральную плотность на нулевой частоте и ее ограничение на нижних частотах.

- информацию о тактовой частоте передаваемого сигнала в виде дискретной составляющей, легковыделяемой на фоне непрерывной части спектра.

- непрерывный спектр должен быть узкополосным для передачи через канал связи без искажений.

- малую избыточность, для снижения относительной скорости передачи в канале связи.

- минимально возможные длины блоков повторяющихся символов («1» или «0») и диспаритетность (неравенство числа «1» и «0» в кодовых комбинациях).