Системы двухпроводной связи. Принцип телефонной связи.

Телефонная связь является самым распространенным видом оперативной связи. Абонентами сети телефонной связи являются как физические лица, так и предприятия. Телефонная связь играет важную роль в фирмах, офисах и т. п. Так, для большинства фирм телефон является своеобразной визитной карточкой, поскольку первые контакты со смежниками и заказчиками чаще всего осуществляются по телефону. Удобство соединения и сервисные возможности телефона, а они во многом определяются офисной автоматической телефонной станцией (АТС), формируют первое впечатление о солидности фирмы, а это немаловажно.

Однако далеко не все знают о возможностях телефонных систем, о тех сервисных услугах, которые предоставляет или может предоставлять своим абонентам система телефонной связи. Подробно рассмотреть все эти сервисные услуги, а их в настоящее время более 600 наименований, не представляется возможным, но кратко познакомиться с некоторыми из них следует.

Телефонную связь можно разделить на:

· телефонную связь общего пользования (городскую, междугородную и т. д.);

· внутриучрежденческую телефонную связь.

Особыми видами телефонной связи являются: радиотелефонная связь, видеотелефонная связь.

Система телефонной связи состоит из телефонной сети и абонентских терминалов.

В общем случае телефонная сеть - это совокупность узлов коммутации, роль которых выполняют автоматические телефонные станции (АТС), соединяющих их каналов связи и абонентских каналов, связывающих терминалы абонентов с АТС. Абонентские каналы часто называют каналами "последней мили", или просто "последней милей".

Абонентские терминалы (а ими могут быть абонентские телефонные аппараты, офисные АТС или компьютеры) обычно подключаются к сети по паре медных проводов - абонентской линии. Абонентская линия имеет в сети свой уникальный номер (номер абонента); ее длина, как правило, не должна превышать 7-8 км, и передача информации по ней ведется чаще всего в аналоговой форме.

АТС соединяются друг с другом по так называемым соединительным линиям - сейчас практически во всех сетях общего пользования применяются 4-проводные цифровые линии (по одной паре проводов для передачи сигналов в каждом направлении - от одной АТС к другой и обратно).

Телефонная сеть имеет иерархическую структуру. На нижнем уровне расположены оконечные АТС, к которым и подключаются абонентские терминалы; такая АТС имеет номер, обычно совпадающий со старшими цифрами номера абонента (например, в Санкт-Петербурге абонент, имеющий номер 267 0202, подключен к АТС 267; внутри АТС этот абонент имеет номер 0202). Если АТС коммутирует более 10 000 абонентов (например, станция 5ESS обслуживает до 350 000 абонентов), то она делится на несколько логических подстанций, имеющих свои отдельные номера.

Совокупность АТС, обслуживающих некоторый географический регион, образует зону, имеющую свой уникальный номер внутри страны (например, Санкт-Петербург - зона 812, Москва - зона 095 и т. п.). Связь между зонами осуществляется с помощью АТС более высокого уровня иерархии - междугородных. Междугородные АТС имеют два номера: номер для своих внутренних АТС - 8, он единый для всех АТС России; номер для внешних междугородных АТС - ее уникальный номер (812, 095 и т. п.).

По такому же принципу междугородные АТС подключаются к АТС верхнего уровня - международным. В России для выхода на нашу международную АТС следует набрать ее единый для страны номер - 10, а для входа в международную АТС другой страны - код этой страны.

Таким образом, полный, всемирно уникальный абонентский номер состоит из кода страны, кода зоны внутри страны, номера АТС внутри зоны и номера абонентского терминала внутри АТС. Если абонентский терминал представляет собой офисную АТС, то для идентификации абонента может потребоваться добавочный номер абонента внутри офисной АТС.

Современная АТС - это программно управляемая коммутационная система, работающая с цифровыми сигналами. Это означает, что при вводе в АТС аналоговый сигнал, поступающий с абонентской линии, преобразуется в цифровую форму и в этой форме распространяется далее по телефонной сети, превращаясь снова в аналоговую форму при попадании в абонентскую линию другого абонента. При обращении внутреннего абонента к АТС ему выделяется определенный внешний канал: количество внешних каналов у АТС много меньше количества подключенных к ней абонентов. Отношение числа абонентов АТС к числу ее внешних каналов называется коэффициентом концентрации. Нормальными значениями этого коэффициента считаются величины порядка 8:1-10:1 (коэффициент 8:1 означает, что если сразу все абоненты запросят у АТС соединение, то она сможет удовлетворить запросы только 12, 5 % из них; но вероятность одновременного обращения к АТС 1250 абонентов из 10 000 при статистически средней интенсивности загрузки одного абонентского канала невелика, поэтому приведенные выше коэффициенты концентрации вполне приемлемы).

Остановимся несколько подробнее на разновидностях и сервисных возможностях телефонных аппаратов и офисных АТС.

 

DECT-телефония

 

В последние годы солидные организации и деловые центры устанавливают у себя беспроводные АТС или DECT-концентраторы, подключаемые к обычной проводной АТС (название этих концентраторов произошло от стандарта для систем беспроводной связи, Digital European Cordless Telecommunication - DECT). К DECT-концентратору 4-проводными линиями подключают устройства беспроводного доступа, и через них происходит радиосоединение с портативными абонентскими радиотрубками.

Стандарт DECT, одобренный Европейским институтом стандартов связи в 1992 году, предназначался первоначально для построения микросотовых систем в местах с высокой плотностью абонентов и интенсивным трафиком. Сейчас он широко используется и для домашних и офисных абонентов, придя на смену стандарту СТ-2 (доля индивидуальных DECT-телефонов уже превысила 90 % используемых терминалов этого стандарта).

Стандарт в микросотовом варианте обеспечивает эффективное использование спектра радиочастот, высокую конфиденциальность переговоров и защиту информации. Благодаря использованию частотного и временного разделения трафика любому абоненту доступны 120 дуплексных каналов. Базовые станции систем стандарта DECT могут находиться достаточно близко (например, на расстоянии 25 м) и их емкость ограничена лишь уровнем помех от соседних сот.

Для DECT выделен участок спектра 1880-1900 МГц. Имеется несколько профилей доступа к системе:

· GAP (Generic Access Profile) - базовый профиль доступа, используемый любой стационарной и мобильной телефонией;

· GIP (DECT/GSM Interworkinr Profile) - профиль взаимодействия сетей DECT и GSM;

· IIP (ISDN Interworkinr Profile) - профиль взаимодействия сетей DECT и ISDN;

· RAP (Radio local loop Access Profile) - профиль сетей абонентского радиодоступа;

· CAP (Cordless terminal mobility Access Profile) - профиль внутрисистемного и межсистемного роуминга (мобильности бесшнуровых терминалов);

· DSP (Data Service Profile) - профиль служб передачи данных (в том числе и по протоколам Интернета). Действительно, при широкой полосе пропускания есть возможность объединения нескольких каналов для передачи трафика и обеспечиваются услуги передачи данных со скоростью до 522 кбит/с

Одним из первых офисных радиотелефонных комплексов является радиотелефонная система Wanderer, состоящая из базового блока управления и ретрансляторов с максимальным удалением каждого от базового блока до 1 км. Таким образом, обеспечивается охват терминалов - телефонных радиотрубок, - удаленных на расстояние до 2 км. Количество ретрансляторов (радиозон) до 32; количество радиотелефонов в зоне до 36; количество радиоканалов - 40; имеет выход на телефонную сеть общего пользования по 36 каналам.

Структурная схема радиотелефонного комплекса показана на рис. 16. 3.

Рис. 16. 3. Радиотелефонный комплекс

 

Компьютерная телефония

 

Компьютерной телефонией называют технологию CTI (Computer Telephony Integration, интеграция компьютеров и телефонии), в которой компьютерные ресурсы применяются для выполнения исходящих и приема входящих звонков и для управления телефонным соединением.

Просто подсоединив телефонную линию через модем к работающему компьютеру, можно превратить последний в автоответчик, устройство автоматического набора номера, факсимильный аппарат. Более того, он будет регистрировать телефонные звонки, автоматически определяя номер звонящего абонента, следить и регистрировать поступающие факсы, находить последние записи о контактах со звонящим абонентом.

Для реализации компьютерной голосовой связи по телефонной линии необходимо иметь:

· голосовой (voice) модем, к одному из входов которого подключается телефонная линия;

· звуковую карту и акустическую систему или наушники;

· микрофон (микрофон и наушники может заменить телефонный аппарат, желательно с тональным набором, подключаемый ко второму входу модема; тональный набор необходим, поскольку многие сервисы работают только с ним).

Программную поддержку CTI обеспечивают продукты многих фирм:

1. Корпорация Microsoft в операционные системы Windows 9x, Windows NT/2000 Server интегрировала интерфейс прикладного программирования для телефонии TAPI (Telephony API), который позволяет подключать ПК, работающие под управлением Windows, к системам передачи голосовой информации - аналоговым телефонным каналам, офисным АТС и т. д. Благодаря этому абоненты получают возможность сочетать речевые переговоры с обменом компьютерными данными. Интерфейсы, начиная с TAPI 2. 0, включенные в состав СОС Windows NT/2000 Server, поддерживают много сервисных возможностей, включая создание Центра телефонного обслуживания.

2. Фирма Novell и корпорация AT&T создали интерфейс NetWare TSAPI (Telephony Services API).

3. Фирма AnswerSoft предложила систему Universal TAPIService Provider для подключения к ПК офисной АТС, систему InterSoft Sixth Sense - для автоматизации процедур обработки вызова и SoftPhone Agent - агент центра обслуживания.

4. Фирма CallWare Technologies разработала программы: Phonetastic - обслуживания телефонных вызовов, CallWare Series 5 - систему голосовой почты, CallWare Vievpoint - отображения голосовых сообщений на экране ПК и т. д.

В последние годы прослеживаются две основные тенденции компьютерно-телефонной интеграции:

· телефонная связь все в большей степени приобретает черты средства удаленного доступа к данным;

· персональный компьютер все в большей степени пытается заменить телефонный аппарат, что позволяет говорить о появлении своеобразных информационных мультимедийных станций.

 

Интернет-телефония

 

Интернет-телефония (IP-телефония) является одним из важнейших направлений компьютерной телефонии, предназначенным для передачи голоса, данных и видео по каналам глобальной сети Интернет. В 1995 году появились первые программные продукты, поддерживающие голосовое общение через Интернет, которые позволяли осуществлять полудуплексную связь только между двумя компьютерами, имеющими одинаковые телефонные интерфейсы. Современные технологии Интернет-телефонии поддерживают дуплексную связь, предоставляют пользователю удобный графический интерфейс и даже обеспечивают возможность проведения телеконференций.

Для передачи по Интернету голосового трафика его надо оцифровать, закодировать, поместить в пакеты данных, передать пакеты по сети, собрать пакеты на принимающем узле, декодировать и воспроизвести.

При организации телефонных переговоров по вычислительным сетям необходимо передавать два типа информации:

· командную;

· речевую.

К командной информации относятся сигналы вызова, разъединения, а также другие служебные сообщения. Сложность реализации систем Интернет-телефонии состоит в том, что технология передачи голоса по телефону принципиально отличается от технологии передачи данных по сети Интернет. Качественно реализовать технологию передачи голоса в канале, рассчитанном на пакетную передач)' данных, непросто. Качественная передача голоса зависит от трех составляющих:

· качества кодирования голоса и размещения голосового трафика в пакетах;

· качества передачи пакетов в сети;

· успешности восстановления голосового трафика по полученным пакетам.

Оцифровку и кодирование голосового трафика в системах выполняют специализированные адаптеры - шлюзы.

Шлюз (gateway), или телефонный сервер (ITS, Internet Telephony Server), - устройство, которое осуществляет преобразование управляющей информации и данных, поступающих из одной сети (например, телефонной), в пакеты сети Интернет и обратно. Причем такое преобразование не должно значительно исказить исходный речевой сигнал, а режим передачи должен обеспечить обмен информацией между абонентами в реальном масштабе времени. Популярным шлюзом является, например, VocalTech Gateway. Главные задачи шлюза - обеспечение качественного дуплексного телефонного общения абонентов в режиме пакетной передачи и коммутации цифровых сигналов - сохраняются. Шлюз может использоваться и при наличии компьютерного терминала, обеспечивая более качественное преобразование.

Более полно основные функции, выполняемые шлюзом, состоят в следующем:

· реализация физического интерфейса с коммуникационной сетью;

· детектирование и генерация сигналов абонентской сигнализации;

· преобразование сигналов абонентской сигнализации в пакеты данных и обратно;

· оцифровывание и кодирование голосового трафика с использованием стандартных речевых кодеков (вокодеров) и специальных анализаторов (например, блоков определения голосовой активности Voice Activity Detector - VAD;. На приемной стороне - восстановление аналогового сигнала

· сжатие (компрессия) кодированного голосового трафика с целью сужения его частотного спектра и ускорения передачи по сети. На приемной стороне - декомпрессия трафика;

· упаковка голосового трафика в пакеты данных и обратная операция;

· соединение абонентов;

· передача сети сигнализационных и голосовых пакетов;

· разъединение связи.

Большая часть функций шлюза реализуются в процессах прикладного уровня.

Основные факторы, влияющие на снижение качества передачи пакетов.

1. Задержка - время ожидания передачи пакета информации от одного абонента другому. Для передачи голоса время задержки является критическим фактором: допустимое время задержки 250-300 мс, превышение этого значения уже не позволяет вести голосовое общение в реальном времени. Сокращению задержек способствует оптимальный выбор маршрута - каждый маршрутизатор задерживает пакет примерно на 10 мс.

2. Искажения пакетов, которые бывают довольно редко и только при большом уровне помех или неисправностях аппаратуры.

3. Потеря пакетов и перестановка их во времени. Рассмотрим этот фактор чуть более подробно.

Базовый протокол сети Интернет - Internet Protocol (IP). Это протокол сетевого уровня, который обеспечивает маршрутизацию пакетов в сети. Он, однако, не гарантирует надежную доставку пакетов, ибо каналы Интернета характеризуются:

· текущей пропускной способностью, определяемой пропускной способностью наиболее медленного звена виртуального канала в данный момент времени;

· неравномерностью во времени трафика, также являющейся функцией времени;

· задержкой пакетов, зависящей от трафика, длины проходимого пути, реальных физических свойств локальных каналов передачи, образующих в данный момент времени виртуальный канал, задержек на обработку сигналов, возникающих в речевых кодеках и других устройствах шлюзов, - все это также обусловливает зависимость задержки от времени;

· потерей пакетов, обусловленной наличием "узких мест" в виртуальном канале, очередями;

· перестановкой во времени пакетов, пришедших разными путями.

То есть виртуальный канал Интернета - сугубо нестационарная система. Пакеты в нем могут искажаться, задерживаться, передаваться по различным маршрутам (а значит, иметь различное время передачи) и т. п.

На основе IP работают протоколы транспортного уровня Transport Control Protocol (TCP) и User Datagram Protocol (UDP).

Основное требование к передаче командной информации - отсутствие ошибок передачи. В результате необходимо использовать достоверный протокол доставки сообщений. Обычно в качестве такого протокола используется TCP, обеспечивающий гарантированную доставку сообщений. К сожалению, время доставки сообщений при использовании этого протокола не является стабильным, так как при выявлении ошибок в передаче сообщение передается повторно. Таким образом, длительность служебных процедур может бесконтрольно увеличиваться, что недопустимо, например, для этапа установления соединения, а также для некоторых процедур, связанных с передачей по сети телефонной сигнализации. Важной проблемой является создание достоверного механизма передачи, который не только гарантирует безошибочную доставку информации, но и минимизирует время доставки при появлении ошибок передачи.

При передаче речевой информации проблема времени доставки пакетов по сети становится основной. Это вызвано необходимостью поддерживать общение абонентов в реальном масштабе времени. В таком режиме использование повторных передач недопустимо, и, следовательно, для передачи речевых пакетов приходится использовать "недостоверные" транспортные протоколы, например UDP. При обнаружении ошибки передачи факт ошибки фиксируется, но повторной передачи для ее устранения не производится. Пакеты, передаваемые по протоколу UDP, могут теряться, В одних случаях это может быть связано со сбоями оборудования. В других - с тем, что "время жизни" пакета истекло и он был уничтожен в одном из маршрутизаторов. При потерях пакетов повторные передачи также не организуются.

Существуют протоколы, позволяющие имитировать потерянные пакеты при декодировании, производя интерполяцию данных, но их возможности не безграничны, и потери данных более 10% невосполнимы.

Все системы IP-телефонии условно можно разделить на базовые схемы:

· голосовые соединения между двумя компьютерами;

· голосовые соединения через Интернет пользователей без использования компьютера.

Голосовые соединения между двумя компьютерами имеют два варианта реализации:

· программный, когда все процедуры преобразования трафика выполняет персональный компьютер со встроенной звуковой картой и модемом;

· программно-аппаратный, когда в компьютер устанавливается специализированный процессор Digital Signal Processor (DSP-карта), берущий выполнение этих функций на себя, освобождая тем самым компьютер для другой работы.

Первый вариант нашел воплощение во множестве программных продуктов, выпускаемых различными фирмами. Среди них и известный продукт Net Meeting фирмы Microsoft, который, помимо прочего, позволяет проводить телеконференции.

Второй вариант также в настоящее время достаточно широко распространен. Первые программы, его поддерживающие, появились несколько лет назад и были реализованы на основе DSP-карт фирмы Dialogic и программного обеспечения, разработанного фирмой VocalTech.

Голосовые соединения по схеме телефон-Интернет-телефон выполняются с использованием адаптера, подключаемого к телефонной линии на стороне абонента (непосредственно к телефонному аппарату или АТС), обеспечивающего дозвон и соединение с провайдером, запрос на связь, а иногда и оцифровку, и восстановление голосового трафика. Причем адаптеры и их программная поддержка у обоих взаимодействующих абонентов должны быть одинаковыми. Популярными адаптерами являются адаптеры фирм Aplio, представляющие собой небольшую коробочку, содержащую модем и аппаратный кодек, и Kortex International, конструктивно выполненные аналогично и включающие модем, факс-сервер и автоответчик. Вход в Интернет выполняется через шлюз, берущий на себя функции оцифровки-восстановления (если надо), сжатия голосового трафика, его упаковки-распаковки в пакеты и формирования всех управляющих сигналов для связи с сетью.

Интернет-провайдеры, предоставляющие услуги IP-телефонии, до недавнего времени активно работали только в США, а у нас в стране отсутствовали, но за последние три года активно стали создаваться и у нас. Известным провайдером Интернет-телефонии является, например, компания "Ситек", имеющая точки входа во многих городах страны (естественно, и в Санкт-Петербурге). Большим преимуществом этой компании является возможность через нее подключиться к мировой сети IP-телефонии американской компании Delta Tree, реализующей передачу голосового трафика по создаваемым ею выделенным виртуальным каналам Интернета, обеспечивая тем самым очень высокое качество связи.

Основное достоинство Интернет-телефонии в чрезвычайной дешевизне ее услуг, особенно при звонках на большие расстояния. Так, из Санкт-Петербурга разговор по IP-телефону в Москву обойдется примерно в два раза дешевле, а звонок в Австралию в 6 раз дешевле, чем по обычной междугородной и международной связи.

По прогнозам агентства ProbeResearch, к 2005 году трафик IP-телефонии составит 44 % международного трафика в мире, а в США, например, уже в 2002 году около 20 % и внутреннего телефонного трафика будет проходить через Интернет.