Краткая история развития электросвязи. На заре становления человеческого общества общение между людьми было весьма скудным. Воткнутая в землю ветка указывала, в каком направлении и на какое расстояние ушли люди; особо положенные камни предупреждали о появлении врагов; зарубки на палках или деревьях сообщали об охотничьей добыче и прочее. Существовала и примитивная передача сигналов на расстояние. Сообщения, закодированные в виде определенного числа выкриков либо ударов барабана с изменяющимся ритмом, содержали ту или иную информацию.
В десятом томе «Всеобщей истории» древнегреческого историка Полибия (ок. 201-120 гг. до н. э.) описан способ передачи сообщений на расстояние с помощью факелов (факельный телеграф), изобретенный александрийскими учеными Клеоксеном и Демоклитом.
В 1792 году во Франции Клод Шапп создал систему передачи информации при помощи светового сигнала, которая получила название «Оптический телеграф». В простейшем виде это была цепь типовых строений, с расположенными на кровле шестами с подвижными поперечинами, которая создавалась в пределах видимости одно от другого. Шесты с подвижными поперечинами — семафоры — управлялись при помощи тросов специальными операторами изнутри строений. Шапп создал специальную таблицу кодов, где каждой букве алфавита соответствовала определённая фигура, образуемая семафором, в зависимости от положений поперечных брусьев относительно опорного шеста. Система Шаппа позволяла передавать сообщения на скорости два слова в минуту и быстро распространилась в Европе. В Швеции цепь станций оптического телеграфа действовала до 1880 года
В 1800 г. итальянский ученый А. Вольта создал первый химический источник тока. Это изобретение дало возможность немецкому ученому С. Земмерингу построить и представить в 1809 г. Мюнхенской академии наук проект электрохимического телеграфа Телегра́ф (др.-греч. τῆλε — «далеко» + γρᾰ́φω — «пишу»). Телеграф Земмеринга имел много недостатков и не нашел практического применения. Понадобилось 20 лет, чтобы появилась первая практически применимая система телеграфирования. Ее автор - выдающийся русский ученый П. Л. Шиллинг. В октябре 1832 г. состоялась первая публичная демонстрация электромагнитного телеграфа. В том же году с помощью телеграфа Шиллинга была налажена связь между Зимним дворцом и Министерством путей сообщения.
Подлинную революцию в деле электросвязи по проводам произвели русский академик Б. С. Якоби и американский ученый С. Морзе, предложившие независимо друг от друга пишущий телеграф. Заслугой С Морзе является создание используемой до сих пор телеграфной азбуки, в которой буквы обозначались комбинацией точек и тире.
В 1841 г. Б. С. Якоби ввел в эксплуатацию линию, оборудованную пишущим телеграфом и соединявшую Зимний дворец с Главным штабом. Через два года аналогичная линия протяженностью 25 км была построена между Петербургом и Царским Селом. Первая действующая линия связи в США (Вашингтон-Балтимор, 63 км) начала действовать в 1844 г.
В 1850 г. Б. С. Якоби сконструировал первый буквопечатающий аппарат, который в 1874 г. был усовершенствован американцем Д. Юзом и французом Ж. Бодо.
В июне 1866 г. была осуществлена прокладка кабеля через Атлантический океан. Европа и Америка оказались связанными телеграфом.
С 1866 г. телеграфные линии потянулись во все концы земного шара, связав между собой страны и континенты.
Рождение телеграфа дало толчок к появлению телефона. Начиная уже с 1837 г. многие изобретатели пытались передать на расстояние человеческую речь с помощью электричества. Почти через 40 лет эти опыты увенчались успехом. В 1876 г. американский изобретатель А. Г. Белл запатентовал устройство для передачи речи по проводам - телефон. В 1878 г. русский ученый М. Махальский сконструировал первый чувствительный микрофон с угольным порошком, который в модернизированном виде применяется во всех современных телефонных аппаратах.
На первых норах для телефонной связи использовались телеграфные линии. Но для улучшения качества связи потребовалось строительство специальных двухпроводных телефонных линий. Такая линия была спроектирована в 1895 г. профессором Петербургского электротехнического института П. Д. Войнаровским и построена в 1898 г. между Петербургом и Москвой.
Существенный вклад в усовершенствование телефона внес русский физик П. М. Голубинкий, который в 1886 г. разработал новую схему телефонной связи. Согласно этой схеме микрофоны абонентских телефонных аппаратов получали питание от одной (центральной) батареи, расположенной на телефонной станции. Эта система была внедрена во всем мире под названием системы ЦБ.
Первые телефонные станции в России были построены в 1882-1883 гг. в Москве, Петербурге, Одессе.
Уже в конце прошлого столетия Земля оказалась опоясанной проводами и кабелями, соединяющими города и континенты. Однако проводная связь не могла удовлетворить быстрорастущие потребности промышленности. транспорта и особенно судоходства. В беспроволочной связи остро нуждались мореплаватели и военный флот.
Изобретение радио - заслуга нашего выдающегося соотечественника, талантливого русского ученого А. С. Попова. Первая публичная демонстрация устройства А. С. Попова для приема электромагнитных волн состоялась на заседании Русского физико-химического общества 7 мая 1895 г. Этот день и вошел в историю как день изобретения радио. В марте 1896 г. А. С. Попов передал электрическими сигналами без проводов текст, состоящий из двух слов («Генрих Герц»), на расстояние всего 250 м. А уже в 1900 г. радиосвязь использовалась на практике при снятии с камней броненосца «Генерал-адмирал Апраксин» и при спасении рыбаков, унесенных в море.
В 1913 г. был построен радиотелеграфный завод с радиолабораторией под руководством М. В. Шулейкина, а в 1914 г. в Москве и Петербурге построены первые искровые радиостанции.
Сотрудники созданной в 1918 г. Нижегородской лаборатории (ее возглавил М. А. Бонч-Бруевич) уже в 1922 г. построили в Москве первую в мире радиовещательную станцию мощностью 12 кВт, а 17 сентября 1922 г. состоялась первая передача радиоцентра. К 1924 г. радиовещательные станции появились в Ленинграде и Горьком.
В 1935 г. между Нью-Йорком и Филадельфией вступила в строй радиолиния на ультракоротких волнах. Она имела протяженность 150 км. Чтобы перекрыть это расстояние, через 50 и 100 км были построены две промежуточные «релейные» станции, которые принимали ослабленные радиоволны, «заменяли» их новыми и посылали дальше. Сама радиолиния была названа «радиорелейной линией».
Отныне во все концы земного шара протянулись цепочки радиорелейных линий. Строительство первой радиорелейной линии в нашей стране было осуществлено в 1953 г. между Москвой и Рязанью. «Бип... бип... бип» - эти сигналы услышал 4 октября 1957 г. весь мир. Наступила эра освоения космоса. Совсем небольшой срок отделяет нас от этой даты, а на космические орбиты уже запущены тысячи искусственных спутников, исправно служащих человеку.
В 1947 г. появилось первое упоминание о разработанной фирмой «Белл» системе с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ). Система оказалась громоздкой и неработоспособной. И только в 1962 г. была внедрена в эксплуатацию первая коммерческая система передачи ИКМ-24. В 1965 г. в СССР был запущен искусственный спутник Земли «Молния-1», на борту которого находилась приемопередающая ретрансляционная станция.
В 1960 г. в Америке был создан первый в мире лазер. Это стало возможным после появления работ советских ученых В. А. Фабриканта, Н. Г. Басова и А. М. Прохорова и американского ученого Ч. Таунса, получивших Нобелевскую премию.
«Обучать» лазеры передаче информации на расстояние стали вскоре после их изобретения. Первые лазерные линии связи появились в начале 60-х it', прошлого столетия. В нашей стране первая такая линия была построена в 1964 г. в Ленинграде.
В 1966 г', в Москве между Ленинскими горами и Зубовской площадью засветилась красная нить лазерного света, связывающая две городские АТС, находящиеся на расстоянии 5 км друг от друга.
В 1970 г. в американской фирме «Corning Glass Company» было получено сверхчистое стекло. Это дало возможность создать и внедрить повсеместно оптические кабели связи [1].
Современные тенденции развития электросвязи. В настоящее время связь развивалась по пути оцифрования всех видов информации. Это стало генеральным направлением, обеспечивающим экономичные методы не только ее передачи, но и распределения, хранения и обработки. Вслед за ИКМ-24 появились ИКМ-30, ИКМ-120, ИКМ-480, ИКМ-1920, а затем системы передачи синхронной цифровой иерархии (СЦИ).
Интенсивное развитие цифровых систем передачи объясняется их существенными достоинствами по сравнению с аналоговыми системами передачи: высокой помехоустойчивостью; слабой зависимостью качества передачи от длины линии связи; стабильностью электрических параметров каналов связи; эффективностью использования пропускной способности при передаче дискретных сообщений и др.
Из года в год в стране увеличивается телефонная плотность (число телефонов на сто жителей), но пока Россия еще существенно отстает по этому показателю от промышленно развитых стран. Так, если в промышленно развитых странах этот показатель составляет 46 и более телефонов на 100 жителей, то в России в среднем - 21 телефон. Разработана концепция, намечены сроки ликвидации этого отставания, в результате чего к 2005 г. количество телефонов на сто жителей ожидается 36,9, а к 2010 г. оно должно составить 47,7 аппаратов [2].
На смену телеграфной связи пришли такие виды документальной электросвязи, как передача данных, электронная почта, факсимильная связь.
Успешно развивается российский сегмент сети Интернет, объем услуг в котором составил 220 млн долл. и увеличился в 2001 г. по сравнению с 2000 I. на 50 %. Растет количество наименований русскоязычных ресурсов в сети. Число регулярных пользователей в России к концу 2001 г. - 4.3 млн. человек, а количество хотя бы раз посетивших всемирную сеть превысило 12 млн. За последние два года аудитория российской сети Интернет увеличилась в 2,9 раз. Число пользователей электронной почтой за этот же период выросло в 3 раза. Однако по-прежнему основное количество пользователей сосредоточено в крупных и средних городах. Жители Москвы составляют пятую часть общероссийской аудитории [2].
Одновременно с ростом числа услуг связи изменяться их качество - от простого телефонного сервиса до услуг мультимедиа, которые будут обеспечиваться интегральными цифровыми сетями связи.
Особенно быстрыми темпами в мире и у нас в стране идет развитие сети мобильной радиосвязи. Человек с сотовым телефоном, не привязанный шнуром к своему месту, превратился в своеобразный символ конца века. Количество людей, пользующихся мобильными телефонами в мире, приближается к 600 млн. По числу абонентов системы мобильной связи уже можно судить об уровне и качестве жизни в данной стране. В этом смысле темпы роста абонентов мобильной связи в России (почти 200 % в год) являются показателем роста благосостояния общества.
Так, 1 января 2001 г. мобильной связью пользовались 3,4 млн россиян, 31 декабря того же года уже 7,8 млн. Именно благодаря столь бурному развитию этого рынка, в 2001 г. доходы операторов новых видов связи (сотовой, пейджинговой, спутниковой и т. д.) превысили доходы от услуг фиксированной связи. Оборот «новых» операторов в 2001 г. достиг 101 млрд руб., в то время, как традиционные собрали 85 млрд руб., и это при том, что последние обслуживают 85 % телекоммуникационной инфраструктуры России [2].
Исходя из макроэкономических показателей развития Российской Федерации, определенных в Основных направлениях социально-экономической политики Правительства Российской Федерации на долгосрочную перспективу, рынок телекоммуникационных услуг к 2010 г. будет характеризоваться следующим образом [2]:
Показатели развития телекоммуникаций России
Показатели
Годы
2000 2005
Количество телефонов, млн
31.2 1 36.9
47,7
Телефонная плотность на 100 жителей, %
21,3 | 25,3
32,7
Количество мобильных телефонов, млн
2,9 | 9,24
22,2
Плотность сотовых телефонов на 100 жителей, %
2,0 ' 6,3
15,2
Количество пользователей Интернет, млн
2,5 6,0
28,1
Плотность пользователей Интернет на 100 жителей, %
1,7 4.1
17,9
Объем капитальных затрат составит за 10 лет около 33 млрд долл. США. Для стран с развитой экономикой развитие телекоммуникаций уже в настоящий момент характеризуется следующими показателями: телефонная плотность - 40...60 %, плотность мобильной связи - 25...40 %, плотность пользователей Интернета - 20...30 %.
Человечество движется по пути создания Глобального информационного общества. Его основой станет Глобальная информационная инфраструктура, составляющей которой будут мощные транспортные сети связи и распределенные сети доступа, предоставляющие информацию пользователям. Глобализация связи и ее персонализация (доведение услуг связи до каждого пользователя) - вот две взаимосвязанные проблемы, успешно решаемые специалистами электросвязи на данном этапе развития человечества.
Большинство специалистов сходятся во мнении, что дальнейшая эволюция телекоммуникационных технологий будет идти в направлениях увеличения скорости передачи информации, интеллектуализации сетей и обеспечения мобильности пользователей.
Высокие скорости необходимы для передачи изображений, в том числе телевизионных; интеграции различных видов информации в мультимедийных приложениях; организации связи локальных, городских и территориальных сетей.
Интеллектуальность позволит увеличить гибкость и надежность сети, сделает более легким управление глобальными сетями. Благодаря интеллектуализации сетей, пользователь перестает быть пассивным потребителем услуг — превратится в активного клиента, который сможет управлять сетью, заказывая необходимые ему услуги.
Успехи в области миниатюризации электронных устройств, снижение их стоимости создали предпосылки к глобальному распространению мобильных оконечных устройств. Это делает реальной задачу предоставления услуг связи каждому в любое время и в любом месте,
Можно отметить, что объем информации, передаваемой через информационно-телекоммуникационную инфраструктуру мира, удваивается каждые 2-3 года. Появляются и успешно развиваются новые отрасли информационной индустрии, существенно возрастает информационная составляющая экономической активности субъектов рынка и влияние информационных технологий на научно-технический, интеллектуальный потенциал и здоровье наций. Начало XXI в. рассматривается как эра информационного общества, требующего для своего эффективного развития создание глобальной информационно-телекоммуникационной инфраструктуры, темпы развития которой должны быть опережающими по отношению к темпам развития экономики в целом. При этом создание российской информационно-телекоммуникационной инфраструктуры следует рассматривать как важнейший фактор подъема национальной экономики, роста деловой и интеллектуальной активности общества, укрепления авторитета страны в международном сообществе.
Глава 1 ОБШИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
ПО СИСТЕМАМ И СЕТЯМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ
1.1 Основные определения
Информация - это сведения о каких-либо процессах, событиях, фактах или предметах [1; 2]. Известно, что 80-90 % информации человек получает через органы зрения и 10-20 % - через органы слуха. Другие органы чувств дают в сумме 1-2 % информации. Физиологические возможности человека не позволяют обеспечить передачу больших объемов информации на значительные расстояния.
Связь - техническая база, обеспечивающая передачу и прием информации между удаленными друг от друга людьми или устройствами [2]. Отношение между связью и информацией такое же, как между транспортом и перевозимым грузом. Средства связи не нужны, если нет информации, как не нужны транспортные средства при отсутствии груза.
Сеть связи - это совокупность технических средств, обеспечивающих передачу и распределение сообщений. 1 [ринципы построения сетей связи зависят от вида передаваемых и распределяемых сообщений.
Сообщение - форма выражения (представления) информации удобная для передачи на расстояние. Различают оптические (телеграмма, письмо, фотография) и звуковые (речь, музыка) сообщения. Документальные сообщения наносятся на определенные носители (чаще всего на бумагу) и там же хранятся. Сообщения, предназначенные для обработки в компьютерных информационных системах, принято называть данными.
Информационный параметр сообщения параметр, в изменении которого «заложена» информация. Для звуковых сообщений информационным параметром является мгновенное значение звукового давления, для неподвижных изображений - коэффициент отражения, для подвижных - яркость свечения участков экрана.
По характеру изменения информационных параметров различают непрерывные и дискретные сообщения.
Канал связи - совокупность технических устройств (преобразователей) и среды распространения, обеспечивающих передачу сигналов на расстояние.
Каналы и системы связи, использующие искусственную среду распространения (металлические провода, оптическое волокно), называются проводными, а каналы и системы связи, в которых сигналы передаются через открытое пространство - радиоканалами и радиосистемами.
Сигнал — физический процесс, отображающий передаваемое сообщение. Отображение сообщения обеспечивается изменением какой-либо физической величины, характеризующей процесс. Эта величина является информационным параметром сигнала.
Сигналы, как и сообщения, могут быть непрерывными и дискретными (рис. 1.1). Информационный параметр непрерывного сигнала с течением времени может принимать любые мгновенные значения в определенных пределах (рис. 1.1, а).
t
б
Рис. 1.1. Виды сигналов: а - непрерывный; б - дискретный
Непрерывный сигнал часто называют аналоговым. Дискретный сигнал характеризуется конечным числом значений информационного параметра. Часто этот параметр принимает всего два значения (рис. 1.1,6) [2].
В дальнейшем будем рассматривать принципы и средства связи, основанные на использовании электрической энергии в качестве переносчиков сообщений, т. е. электрических сигналов. Выбор электрических сигналов для переноса сообщений на расстояние обусловлен их высокой скоростью распространения (около 300 км/мс).
1.2 Организация стандартизации в области телекоммуникаций
Цель деятельности организаций стандартизации в области телекоммуникаций заключается в создании единых международных стандартов. Отсутствие единых стандартов приводит к несовместимости оборудования различных производителей и, как следствие, невозможности организации международной связи. Организации стандартизации обеспечивают условия для обсуждения прогрессивных технологий, утверждают результаты этих обсуждений в виде официальных стандартов, а также обеспечивают распространение утвержденных стандартов.
Порядок работы организаций стандартизации по принятию стандартов отличается. Однако он схож в том, что производится несколько этапов разработки и обсуждения новых технологий, разработки проектов стандартов, голосования по всем или некоторым аспектам этих стандартов и, на конец, официального выпуска завершенных стандартов.
Наиболее известны следующие организации стандартизации.
Международная организация стандартизации (МОС) (International Standard Organization - ISO) - автор стандартов в различных областях деятельности, включая стандарты по телекоммуникациям. Членами ISO являются национальные организации стандартизации. Участие в ISO является добровольным. Наиболее известным стандартом ISO в области телекоммуникаций является эталонная модель взаимодействия открытых систем.
Сектор стандартизации телекоммуникации Международного союза электросвязи (МСЭ-Т) (Telecommunication Standardization Sector of International Telecommunication Union - ITU-T) - специализированный орган ООН, с 1993 г. преемник Международного консультативного комитета по телеграфии и телефонии (МККТТ) (Comite Consultatif International Telegraphique et Telephonique - CCITT) - международной организации, разрабатывающей стандарты в области связи. Стандарты ITU-T называются Рекомендациями (Recommendation). Рекомендации объединены в серии, обозначаемые латинскими буквами. В пределах серии Рекомендации присваивается порядковый номер. Обозначение серии и номера Рекомендации отделяются друг от друга точкой, например V.90. Кроме ITU-T, в состав ITU входят Сектор радиосвязи МСЭ-Р (Radiocommunication Sector - ITU-R) и Сектор развития электросвязи (Telecommunication Development Sector ITU-D). Стандарты ITU охватывают практически всю область телекоммуникаций.
Институт инженеров по электротехнике и электронике (Institute of Electrical and Electronic Engineers - IEEE) - профессиональная организация, разрабатывающая стандарты для сетей. Стандарты локальных сетей LAN являются наиболее известными стандартами IEEE по телекоммуникациям.
Европейский институт стандартизации электросвязи (European Telecommunications Standards Institute - ETSI) определяет единую техническую политику в области телекоммуникаций для стран-членов Европейского сообщества. Наиболее известным стандартом ETSI является стандарт сотовой системы подвижной радиосвязи GSM.
Европейская конференция администраций почт и электросвязи (Conference of European Posts and Telegraphs - CEPT).
Американский национальный институт стандартизации (American National Standard Institute ANSI) - координирующий орган добровольных групп по стандартизации в пределах США. ANSI является членом ISO. Широко известен стандарт ANSI по коммуникациям FDDI.
Ассоциация телекоммуникаций промышленности (Telecommunica- Industrial Association - TIA) - одна из групп ANSI, выпускающая стандарты по телекоммуникациям. Самым известным стандартом TIA является стандарт сотовой системы подвижной радиосвязи США IS-54.
Ассоциация электронной промышленности (Electronic Industrial Association - EI А) - одна из групп ANSI.
Федеральная комиссия по связи (Federal Communication Commission - FCC) США - правительственная организация США., занимающаяся регулированием в отрасли связи, в том числе распределением спектра радиочастот
Совет по регуляции работы Internet (Internet Activities Board - IAB) определяет основную политику в области глобальной сети internet. Включает в себя два подкомитета: исследовательский - Internet Research Task Force (IRTF) и стандартизации - Internet Engineering Task Force (IETF). Стандарты IAB называются «Request for Comments» (RFC) (Запрос для комментария).
Производители оборудования телекоммуникаций, заинтересованные в быстром продвижении некоторой конкретной технологии, также создают организации стандартизации в данной области. В качестве примера можно привести такие организации, как Форум ATM, Форум Frame Relay, Альянс Gigabit Ethernet и пр.
В нашей стране работы по стандартизации и регулированию в области связи наряду с Государственным комитетом по стандартизации, метрологии и сертификации (Госстандартом) проводят Минсвязи РФ и его подразделения: Государственная комиссия по электросвязи (ГКЭС), Государственная комиссия по распределению частот (ГКРЧ) и Главгоссвязьнадзор.