Связь

Связь

«По-настоящему владеет информацией только тот,
кто может организовать ее доставку…»

С философской точки зрения связь- это взаимообусловленность существования явлений, разделенных в пространстве и во времени, которая имеет множественную классификацию.  Классификация по содержанию означает связь, которая обеспечивает перенос вещества, энергии или информации. В последнем понимании связь — это передача и прием информации с помощью различных технических средств. Она  неразрывна со словом «телекоммуникация» (от греч. tele – «далеко» и лат. сommunicatio – «общение», «сообщение»), которое означает передачу сообщений или общение на расстоянии. В соответствии с характером применяемых средств связь разделяется на почтовую и электросвязь. Электросвязь — передача информации с помощью электрических сигналов по проводам, волоконно-оптическому кабелю или радиоволн.

Историю развития связи можно проследить по телекоммуникационным системам. Уже в древности для управления войсками стали применяться такие средства передачи информации, как — знамена и музыкальные инструменты. Тем не менее их «дальнобойность» ограничивалась пределами поля боя. Исход же войны часто зависел от организации взаимодействия между отрядами и крепостями, удаленными друг от друга на десятки и сотни километров. Истоки телекоммунимкационных систем берут свое начало не только от колоколов, рожков, сигнальных барабанов в Африке, так называемых «там-тамов», но и от дымовых и световых сигналов костров наших далеких предков.

В жизни людей во все времена информация играла и играет ведущую роль, а ее своевременной доставке придавалось и придается первостепенное значение. Недаром говорят: «Предупрежден, значит вооружен». Осознавая это, еще Октавиан Август (Римская империя) поставил во главу угла создание постоянного сообщения между своей ставкой, основными войсками, границей империи и столицей, положив начало регулярной службе военно-полевых курьеров. Вскоре вместо пеших гонцов появились упряжки с животными. Это было началом регулярной государственной почты.

Кроме того, в древнеримских фортификационных сооружениях были обязательными башни, расположенные на определенном расстоянии друг от друга. Между ними прокладывалась хорошая дорога. Эти башни использовались для сигнальной связи.

Связь с помощью возжигаемых на возвышенностях огней была очень распространена в древности. Например, вся средневековая Швейцария была покрыта сетью сигнальных костров. С какой бы стороны ни вторгся враг, в течение суток весть о мобилизации достигала всех ополченцев. 

Сигнальная вышка связи

Рис. 1. Сигнальная вышка

Цезарь достиг военных успехов не только своими выдающимися способностями полководца, но и своим пониманием важности тщательно продуманной системы военной разведки. При этом для передачи информации он использовал сигналы дымом, передаваемые по цепочке от одного укрепления к другому.

Главный изъян «огненной» связи — то, что цепочкой костров могло быть передано одно и только одно заранее условленное сообщение. Обычно — предупреждение о появлении противника. Но огни не объясняли, где именно и в каком количестве он появился. В ожидании более полной информации обороняющиеся могли лишь привести войска в готовность. Создание постоянных постов редко оправдывало себя.

Так, в "Записках о галльской войне" упоминается, что о важных событиях галлы передавали весть по стране таким вот образом: каждый житель кричал о новости соседу. О случившемся утром к вечеру узнавали за 160 миль от места действия!

Более совершенный оптический телеграф был создан карфагенянами в V веке до новой эры. Аппарат хитроумных африканцев можно было бы назвать «водяным телеграфом»: его основой служили водяные часы — клепсидры, — которыми замерялась продолжительность светового сигнала. Содержание сообщения зависело от того, горел ли огонь минуту, две или больше. Один и тот же костер мог передать десятки фраз, например: «требуется подкрепление», «нужен провиант», «кончились стрелы» и т. п.

Однако римская система дневного оптического телеграфа оказалась наиболее приемлемой. В этой системе каждая буква или цифра передавалась комбинацией из нескольких поднимаемых над башней балок. Но и она получила практическое распространение лишь тогда, когда появление подзорных труб позволило увеличить расстояние между башнями до 10 километров.

В 1792 году первая линия оптического телеграфа связала Париж и Лилль. Несмотря на то что темп передачи составил всего лишь 10 знаков в час, эффективность ее была признана удовлетворительной. Позже в Европе появилось еще несколько подобных линий, самая длинная из которых протянулась между Петербургом и Варшавой. Реликты эпохи «балочного» телеграфа до сих пор можно встретить на железной дороге. 

Балочный телеграф

Рис. 2. "Балочный" телеграф

Самый очевидный способ передачи информации на большие дистанции — само собой, посылка гонцов. Заслугой Цезаря является введение в римскую информационную систему государственной почты для передачи секретных сведений, финансируемую государством и управляемой римскими конниками. Долгое время сообщения были устными и часто рифмованными для простоты запоминания. Так, генералы Чингисхана вынуждены были сочинять и разучивать со своими посыльными целые песни. Ведь ни сам великий монгольский полководец, ни его люди не знали грамоты.

Даже самые примитивные формы письменности резко улучшали «качество связи». Перуанские «почтальоны», спеша по длинным дорогам империи инков, передавали кипу — связки цветных шнуров с завязанными на них узелками. С помощью узелков (либо раскрашенных бобов в мешочках) «записывались» трудные для запоминания числительные. Сам же гонец на словах лишь объяснял, что они значат.

До открытия радиосвязи наиболее эффективным, надежным и быстрым способом передачи сообщений была голубиная почта. Максимальная скорость почтового голубя составляет 80-100, а средняя — около 40-60 километров в час. Максимальной же дистанцией (летом, в идеальную погоду) считается 1000-1200 километров. На больших расстояниях вероятность гибели птиц в пути слишком велика, даже если выпускать их по трое, как контрубеналов. Хотя известны случаи, когда голубям удавалось вернуться домой с расстояния две, три и даже пять с половиной тысяч километров.

Главную особенность голубиной почты стоит подчеркнуть особо. Голубь, будучи выпущен, немедленно возвращается в привычную ему голубятню, откуда он был увезен в корзине или клетке. Никуда больше голубя послать нельзя. В фэнтезийном цикле Джорджа Мартина «Песнь льда и пламени» ученые вороны разносят письма в любое место на карте. Но в реальности голубь может «знать» только один адрес.

Позднее в Первую мировую войну голубиная почта получила большое развитие. Так, для дальней связи в танке возле места помощника водителя крепили клетку с почтовыми голубями, которых выпускали через верхний люк или амбразуры. К концу войны, например, британцы на Западном фронте имели до 6 тысяч почтовых голубей. Имелись подвижные голубятни, обслуживающие разные рода войск.

Отсюда видно, что древняя история средств связи включает как сигнальные костры и барабаны, изобретение голубиной почты и фельдъегерской связи, так и создание оптического телеграфа и других средств, ставших элементами «суммы технологий» своего времени и важными вехами в истории цивилизации в целом.

В конце XVII века, после опытов Гальвани и Вольта, положивших практическое начало науке об электричестве начались работы над созданием электрических средств связи.  Первыми появились электростатический телеграф Маршалла (Англия, 1753 г.) и электрохимический телеграф Земмеринга (Германия, 1809 г.). Основа принципа работы заключалась в соединении двух телеграфных станций линиями связи, число которых соответствовало количеству знаков алфавита. При этом каждый провод служил для передачи одного определенного знака.

Большой шаг вперед в технике связи внес талантливый русский ученый П.Л.Шиллинг – выпускник Первого кадетского корпуса в Петербурге, ветеран Отечественной войны 1812 года, который в 1832 г. разработал равномерный шестиэлементный код и изобрел первый электромагнитный телеграф, значительно сократив тем самым число проводов между телеграфными станциями. Пять лет спустя Самюель Морзе сконструировал широко известный электромагнитный самопишущий аппарат, который в усовершенствованном виде используется до сих пор.

Первый буквопечатающий аппарат был изобретен эмигрантом из Германии академиком Петербургской Академии наук Б.С.Якоби. Его буквопечатающие аппараты успешно работали на подземной кабельной линии между Зимним дворцом  и Главным управлением путей сообщения, а затем на кабельной линии Петербург – Царское село. Телеграф быстро проник во многие страны, а в 1858 г. через Атлантический океан был проложен первый кабель, связывающий Европу с Америкой. 

Телеграфный кабель

Рис. 3. Прокладка телеграфного кабеля, 1850 г.

Впервые попытку создания прибора для передачи звуков на расстояние осуществил Иоганн Филипп Рейс в 1861 г.  Именно он ввел в употребление термин «телефон»  и наглядно продемонстрировал возможность переноса тональных сигналов на расстояние посредством электрического тока. Однако эта разработка не получила распространения по причине ее технического несовершенства. И только 15 лет спустя Александр Грэхем Белл зарегистрировал свой патент на изобретение, которое он назвал усовершенствованием в телеграфии.

В 1878 г. американец Давид Юз изобрел микрофон с угольными палочками и  в том же году Томас Эдисон применил в телефонной схеме индукционную катушку, Ватсон запатентовал применяющийся и поныне в телефонных аппаратах электромеханический звонок, а российский электротехник П.М.Голубицкий  впервые  использовал в телефонных аппаратах конденсатор. 

Телеграфный аппарат

Рис. 4. Демонстрация телефонного аппарата Белла в 1877 г.

Сегодня все воспринимают как нечто само собой разумеющееся возможность связаться по телефону с людьми, являющимися пользователями самых разных местных и междугородных сетей. Но так было не всегда. Так, например, к 1885 г. в США существовало уже более 300 лицензированных телефонных компаний и до 1907 г. людям приходилось часто иметь два телефона:  один для связи с абонентами Bell Telephone Company, а второй – для связи с людьми, проживающими в городе, который обслуживала другая телефонная компания. В 1910 г. компания AT&T выдвинула стратегию взаимоувязанной телефонной связи, из которой выросла телефонная сеть общего пользования (ТфОП).

Знаменитый русский физик А.С.Попов – первый ученый, который понял, что электромагнитные волны могут быть использованы как средство для беспроводной связи. 7 мая 1895 г. он продемонстрировал свое изобретение перед Русским физико-химическим обществом в Петербурге и выступил с докладом о его устройстве и действии. Этот день вошел в историю как день рождения радио.

В 1921 г. в США появилась диспетчерская служба телеграфной подвижной связи. Первоначально такие радиосистемы располагались только на автомобилях полиции и использовали азбуку Морзе, вызывая патрули для того, чтобы те связались с полицейским участком с помощью проводного телефона. Система имела однонаправленное действие и ее смело можно назвать прообразом современной пейджинговой связи.

17 июня 1946 г. в США запускается первая радиотелефонная сеть для частных клиентов. Аппаратура тогда была очень громоздкой и предназначалась только для установки в автомобили. Но, несмотря на это, популярность мобильной связи стала стремительно расти. Достаточно серьезным проблемой, чем большой вес аппаратуры, стало ограниченность частотного ресурса. Радиотелефоны с близкими по частоте каналами начинали создавать взаимные помехи. Для того, чтобы стало возможным использовать частоту вновь необходимо было разнести две радиосистемы на расстояние более 100 км.

Появление в 1947 году транзистора, а затем и интегральных микросхем в дальнейшем позволило заметно уменьшить размеры и вес мобильных телефонных аппаратов. Немного позже Д.Ринг, сотрудник Bell Laboratories, выдвигает идею сотового принципа организации сетей мобильной связи. Эта схема позволяла избавиться от проблемы конфликта близких по частотам каналов и использовать их повторно. Разработкой систем сотовой связи стали заниматься сразу несколько производителей радиотехники, но прошло более 20 лет, прежде чем появились первые подобные сети.

Первая в мире базовая станция сотовой связи была смонтирована компанией Motorola в Нью-Йорке 3 апреля 1973 г. Она могла обслуживать не более 30 абонентов и соединять их с наземными линиями связи. Таким образом,  эту дату можно считать днем рождения сотового телефона, да и всей сотовой связи. Однако первая коммерческая сеть была запущена в 1978 году в Бахрейне. Две соты с 20 каналами в диапазоне 400 МГц обслуживали 250 абонентов.

Как когда-то в начале становления телеграфа множество проводов между станциями сократилось до двух, то впоследствии постоянно растущее число пользователей и рост телефонного трафика привел к появлению систем с частотным разделением каналов (ЧРК) или мультиплексированию сигналов с разделением по частоте (FDM Frequency Division Multipex). С этого времени по двум проводам стал переноситься не один, а несколько информационных сигналов, а за стандартный телефонный канала принимается канал тональной частоты (ТЧ), обеспечивающий передачу речевого сообщения с эффективной полосой частот 300—3400 Гц. При этом вначале образовывается первичный групповой тракт из 12 стандартных каналов, занимающий полосу частот 60—108 кГц.  Из 5 первичных групповых трактов аналогичным образом формируется вторичный и т. д.  Сейчас существуют системы на 12, 60, 120, 180, 300, 600, 900, 1920, 10 800 стандартных каналов. Этот метод  до сих пор широко используется на аналоговых магистральных линиях.

Очередной период в истории развития связи получил толчок благодаря цифровой обработки сигналов. В этом направлении мир  заслуженно считает  пионером нашего соотечественника - академика В.А.Котельникова (с 1930 года он работал  в Научно-исследовательском институте связи Красной армии). Его теорема отсчетов (теорема УКШ на Западе) преобразования аналогового сигнала в цифровой входит в азбуку любого инженера, работающего в области цифровых систем связи, радиолокации, телевидения и т.д.  Она имеет фундаментальное значение для решения многих задач теории передачи сигналов.

Самым простейшим способом оцифровки речевого (аналогового) сигнала признан метод импульсно-кодовой модуляции (ИКМ) или PCM — Pulse Code Modulation, в соответствии с которым спектр частот канала тональной частоты (0,3 -3,4 кГц) преобразуется в цифровой канал со скоростью передачи 64 Kбит/c (ОЦК – основной цифровой канал). Сигнал, передаваемый со скоростью 64 Кбит/с, получил свое название DS0 (digital signal ) — основной цифровой сигнал. Правда, в США из указанной информационной скорости «украли» 8 Кбит/с, незаметные для уха, с целью организации служебного канала.

Как и в системе с ЧРК, в системе разделения канала по времени - TDM (Time Division Multiplexing) несколько ОЦК объединяются в группу. В Европе такой первичной группой стал цифровой поток Е1 (30 ОЦК - 2048 Кбит/с), а в США и Японии – Т1 (24 ОЦК – 1 544 Кбит/с). Так например, цифровой поток Е4 объединяет 1920 ОЦК и скорость его передачи составляет 139 246 Кбит/с. Такой способ формирования различных наборов скоростей передачи, называется методом плезиохронной цифровой иерархии (PDH — Plesiochronous Digital Hierarchy). 

Технология PDH

Рис. 5. Принцип технологии PDH

Основной недостаток плезиохронной иерархии заключается в том, что невозможно прямое извлечение из потока, составляющих его компонентов. Так, чтобы извлечь из потока Е4 поток Е1 необходимо демультиплексировать Е4 на четыре потока Е3, затем один из Е3 на четыре потока Е2, и только после этого можно вывести требуемый цифровой поток Е1.

В 1945 году английский учёный, писатель и изобретатель Артур Кларк предложил идею создания системы спутников связи на геостационарных орбитах, которые позволили бы организовать глобальную систему связи.Спутниковая связь явилась своего рода развитием традиционной радиорелейной связи путем вынесения ретранслятора на очень большую высоту (от сотен до десятков тысяч км). Зона видимости ретранслятора в этом случае — почти половина Земного шара, поэтому необходимость в цепочке ретрансляторов отпадает.

Первые исследования в области гражданской спутниковой связи в западных странах начали появляться во второй половине 50-х годов XX века. В США толчком к ним послужили возросшие потребности в трансатлантической телефонной связи.

Первый искусственный спутник Земли с радиоаппаратурой на борту был запущен в СССР в 1957 г., а 20 августа 1964 года 11 стран подписали соглашение о создании международной организации спутниковой связи Intelsat (International Telecommunications Satellite organization), но СССР в их число не входил по политическим причинам. 6 апреля 1965 года в рамках этой программы был запущен первый коммерческий спутник связи Early Bird («ранняя пташка»), произведенный корпорацией COMSAT.

В Советском Союзе долгое время спутниковая связь развивались только в интересах Министерства Обороны. Развитие гражданской спутниковой связи началось соглашением между 9 странами социалистического блока о создании системы связи «Интерспутник», которое было подписано только в 1971 году. 

Искусственный спутник связи

Рис. 6. Искусственный спутник Земли

В системе спутниковой связи используются методы многостанционного доступа с частотным, временным и кодовым разделением каналов соответственно МДЧР, МДВР и МДКР. Первый метод является наиболее простым и самым распространенным, который используется как в аналоговых, так и в цифровых системах спутниковой связи. Два других метода нашли применение в связи с реализацией цифровых методов передачи.

Вначале спутниковая связь использовалась для передачи широковещательной и циркулярной информации большому числу абонентов (телевидение и звуковое вещание, передача газет) и организации магистральных линий связи большой протяженности. Сейчас все большее распространение находят новые услуги: телефорумы, ТВ-системы с медленной разверткой, ТВВЧ, телетекст, телекс, пакетная передача цифровой информации, передача массивов данных, электронная почта, объявления и т.д.

Спутниковой связи во всех странах уделяется особое внимание. Она находит применение в организации «последней мили» (канала связи между интернет-провайдером и клиентом), особенно в местах со слабо развитой инфраструктурой. Благодаря возможности ведения телефонных переговоров в любой точке мира спутниковая связь обладает стратегическим значением, в то время как, в отличие от спутниковой связи, владельцы сотовых телефонов могут разговаривать только на территории покрытия станциями сотовой сети.

Далее революционным прорывом в области связи явилась опто-волоконная технология (fibre-optic), которая позволила существенно увеличить пропускную способность, по сравнению с жилами медного кабеля. В 1934 г. американец Норман Френч запатентовал первую оптическую телефонную систему. В 1958 г. был разработан лазер, который впервые заработал в 1960 г. В 1970 г. компания "Corning inc." создала оптические волокна с коэффициентом затухания менее 20 дБ/км при длине волны 633 нм. Первая полноценная волоконно-оптическая линия связи для "Deutsche Telekom AG" была построена АО "Siemens" в 1977 г. Со следующего года весь мир начал применять новую технологию с использованием многомодового оптического кабеля

На смену плезиохронной цифровой иерархии пришла синхронная цифровая иерархия (SDH - Synchronous Digital Hierarchy), в США – cинхронные оптические сети (SONET - Synchronous Optical NETs). Сети SDH/SONET позволили передавать информационные потоки по волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) на скоростях до 10 Гбит/С, предоставили широкий диапазон скоростей доступа, в том числе совместимых с плезиохронной цифровой иерархией. Они прозрачны для трафика любой природы (голос, данные, видео). Отличительной особенностью сетей SDH/SONET является то, что для переноса сигнала по ВОЛС они используют одну волну 1310 нм либо 1550 нм. 

Технология SDH

Рис. 7. Принцип технологии SDH

Однако опыт эксплуатации сетей связи, снижение затрат на ВОЛС, постоянно возрастающий трафик и т.д. показали, что достигнутые результаты не в полной мере удовлетворяют выдвигаемым требованиям. Поэтому возникла идея – почему бы в одном оптическом волокне для переноса сигналов использовать не одну, а несколько длин волн, т.е. использовать частотное раделение?

Основы такой технологии были заложены в 1958, еще до появления самой волоконной оптики. Однако прошло около 20 лет, прежде чем были созданы первые компоненты мультиплексных систем. Первоначально они создавались для лабораторных исследований, и лишь в 1980 году технология спектрального уплотнения (WDM - Wavelength Division Multiplexing) была предложена для телекоммуникаций. А еще через пять лет в исследовательском центре компании AT&T была реализована технология плотного спектрального уплотнения (DWDM - Dense Wavelength Division Multiplexing), когда удалось в одном оптическом волокне создать 10 каналов по 2 Gbps.  

Технология DWDM

Рис. 8. Технология DWDM

Возможность DWDM интегрироваться с ATM, IP, ASDL и другими перспективными технологиями и протоколами передачи цифровой информации делает ее незаменимой в процессе конвергенции между различными видами и службами связи.

Таким образом, внутри цифровых систем передачи осуществляется передача электрических сигналов различной структуры, на выходе цифровых систем передачи образуются каналы цифровой первичной сети, соответствующие стандартам по скорости передачи, цикловой структуре и типу линейного кода.

Обычно каналы первичной сети приходят на узлы связи и оканчиваются в линейно-аппаратном цехе (ЛАЦе), откуда кроссируются для использования во вторичных сетях. Можно сказать, что первичная сеть представляет собой банк каналов, которые затем используются вторичными сетями (сетью телефонной связи, сетями передачи данных, сетями специального назначения и т.д.). Существенно, что для всех вторичных сетей этот банк каналов един, откуда и вытекает обязательное требование, чтобы каналы первичной сети соответствовали стандартам. Передача сигнала ведется по проводникам (воздушные, кабельные) и радиосистемам (радиорелейные, спутниковые, тропосфертные), волноводным, световодным линиям. 

Сеть связи

Рис. 9. Структура первичной сети связи

Cовременная цифровая первичная сеть строится на основе трех основных технологий: плезиохронной иерархии (PDH), синхронной иерархии (SDH) и асинхронного режима переноса (передачи) (ATM). Из перечисленных технологий только первые две в настоящее время могут рассматриваться как основа построения цифровой первичной сети. Технология ATM как технология построения первичной сети является пока молодой и до конца не опробованной. Эта технология отличается от технологий PDH и SDH тем, что охватывает не только уровень первичной сети, но и технологию вторичных сетей, в частности, сетей передачи данных и широкополосной ISDN (B-ISDN). В результате при рассмотрении технологии ATM трудно отделить ее часть, относящуюся к технологии первичной сети, от части, тесно связанной со вторичными сетями.

Традиционно в основе построения классической системы электросвязи лежит первичная сеть, включающая в себя среду распространения сигналов и аппаратуру передачи сигнала, обеспечивающую создание типовых каналов и трактов первичной сети. Эти каналы используются затем вторичными сетями для обеспечения услуг связи (рис. 10). Первичная сеть в свою очередь разделяется на два подуровня (транспортный и оборудования передачи), поскольку методически процедуры эксплуатации среды распространения сигналов (волоконно-оптических линий связи, металлических кабелей и ресурса радиочастотного спектра) отличаются от процедур эксплуатации первичной сети как унифицированного банка цифровых каналов. 

Система электросвязи

Рис. 10. Структура системы электросвязи

Первичная сеть составляет основу традиционной системы электросвязи, ее скелет, тогда как вторичные сети могут рассматриваться как потребители каналов первичной сети. Механизм работы такой сети очень прост: вторичная сеть берет из первичной сети типовой канал и предоставляет на его основе пользователям услугу. Но в таком случае для эффективной работы системы связи требуется определенная унификация каналов. Так мы приходим к идее структурированной первичной сети, что и привело к созданию иерархии каналов. Если посмотреть внутрь традиционной первичной сети, то можно увидеть, что она состоит из узлов мультиплексирования (мультиплексоров), выполняющих роль преобразователей между каналами различных уровней.

В нашей стране большая часть средств электросвязи объединена в Единую автоматизированную система связи – ЕАСС . В рамках ЕАСС выделяют совокупность линий передачи и так называемых сетевых узлов. Эта сеть является своеобразным скелетом общей сети и получила название первичной сети ЕАСС.
Сетевые станции – оконечные точки первичной сети, осуществляют подключение пользователей. По территориальному признаку различают:
- магистральная первичная сеть – соединяет каналами разных типов все областные и региональные центры;
- внутризоновая сеть – ограничена территорией одной зоны, совпадающей, как правило, с административным делением: районные центры – областные центры.

Работа по созданию сети ЕАСС не была завершена и прекратилась в связи с развалом СССР. В настоящее время этот проект, отражая изменение геополитической ситуации и новые революционные достижения в области связи, носит название Взаимоувязанная сеть связи России.

Взаимоувязанная сеть связи (ВСС) - это совокупность технически сопряженных сетей электросвязи общего пользования, ведомственных и других сетей электросвязи на территории России независимо от ведомственной принадлежности и форм собственности, обеспеченная общим централизованным управлением.