41759

1. Системы коммутации Лекция №2 «Услуги ТфОП»

2.

Базовая услуга в ТфОП
с коммутацией каналов
Суть базовой услуги в ТфОП с коммутацией каналов заключается в
предоставлении «прозрачного» канала для транспортировки электрического
сигнала, отображающего звуковой и речевой сигнал от одного терминального
оборудования, находящегося в помещении абонента, до другого.
Среда передачи
Сигнал
Абонент А Терминал
Один канал для
одного абонента
Терминал Абонент Б
ТфОП, как система массового обслуживания, обеспечивает выбор и
предоставление этого канала на время жизни каждого сеанса связи.
Единицей измерения емкости телефонного канала является два
элементарных типа каналов:
1. Для аналоговых сетей ТфОП единицей измерения ёмкости
коммутируемого канала является канал тональной частоты (КТЧ).
2. Для цифровых сетей ТфОП единицей измерения ёмкости коммутируемого
канала является основной цифровой канал (ОЦК).

3.

Базовая услуга в ТфОП с
коммутацией каналов: Подробное
1. Суть и основополагающий
принцип
объяснение
Ключевая идея традиционной телефонной сети общего пользования (ТфОП)
заключается в предоставлении временного выделенного канала
связи между двумя абонентами на время одного сеанса (звонка). Этот
принцип называется коммутацией каналов.
•«Прозрачный» канал: Это означает, что сеть не анализирует и не изменяет
передаваемую информацию (в данном случае — электрический сигнал,
представляющий голос). Ее задача — максимально точно и с минимальными
искажениями доставить сигнал от отправителя к получателю. Можно провести
аналогию с мостом, который поднимается между двумя точками специально
для вас и опускается после вашего прохода.
•Сеансовость: Канал не является постоянным. Он создается в начале звонка
(процесс набора номера и установления соединения) и ликвидируется после
его завершения (положение трубки). Это позволяет одни и те же физические
ресурсы сети (провода, коммутаторы) эффективно переиспользовать для
обслуживания множества абонентов.

4.

2. Ключевые компоненты и среда
передачи
Для лучшего понимания процесс можно визуализировать:
•Абонентские терминалы: Это устройства, преобразующие звук в
электрический сигнал и обратно (телефонные аппараты, факсы, модемы).
•Среда передачи: Физическая среда, по которой проходит сигнал (медные пары,
оптоволокно, радиоканал).
•Канал связи: Логический путь, создаваемый в сети. Важно понимать, что это не
физический провод в единственном числе, а последовательность сегментов
и коммутаторов, которые настраиваются на время сеанса для формирования
сквозного соединения.

5.

3. ТфОП как система массового обслуживания
Это очень важная характеристика. Сеть спроектирована исходя из статистики,
что не все абоненты звонят одновременно. Поэтому количество доступных
каналов всегда меньше теоретического числа абонентов.
•Задача сети: При поступлении вызова (запроса на обслуживание) система
должна найти и предоставить свободный канал от вызывающего до
вызываемого абонента.
•Блокировка: Если на каком-либо участке пути все каналы заняты, абонент
получает сигнал «занято» — его вызов блокируется и не обслуживается. Это
классическая проблема систем с коммутацией каналов при пиковых
4. Единицы измерения емкости каналов (Детализация)
нагрузках.
Емкость — это «пропускная способность» канала, определяющая, какой сигнал
можно через него передать.
•Аналоговые сети ТфОП: Канал тональной частоты (КТЧ)
• Определение: Это стандартизированный полосовой канал,
предназначенный для передачи человеческой речи.
• Диапазон частот: 300 Гц — 3400 Гц. Именно этот диапазон считается
достаточным для разборчивости речи и узнаваемости голоса
собеседника. Более низкие и высокие частоты обрезаются.
• Физическая основа: Изначально один КТЧ занимал одну пару медных
проводов.

6.

•Цифровые сети ТфОП: Основной цифровой канал (ОЦК)
• Определение: Это базовый стандартизированный цифровой канал.
• Скорость передачи: 64 кбит/с.
• Как формируется: Стандартный метод оцифровки голоса (ИКМ —
Импульсно-Кодовая Модуляция) предполагает:
• Дискретизация: Частота взятия отсчетов аналогового сигнала — 8000
раз в секунду (согласно теореме Котельникова, этого достаточно для
сигнала с полосой до 4 кГц).
• Квантование: Каждый отсчет кодируется 8-битным числом.
• Расчет: 8000 отсчетов/с × 8 бит/отсчет = 64 000 бит/с = 64 кбит/с.
• Агрегация: ОЦК является строительным блоком для каналов более
высокой пропускной способности. Например, широко известный канал E1
(европейский стандарт) состоит из 32 ОЦК (30 из которых используются для
передачи голоса/данных, а 2 — для служебной сигнализации и
синхронизации).
5. Преимущества и недостатки модели
•Преимущества:
• Предсказуемость: После установления соединения полоса пропускания
гарантирована на весь сеанс.
• Минимальная задержка (латентность): Постоянный путь обеспечивает
стабильную и очень низкую задержку, что критично для голосовой связи в
реальном времени.
• Простота: Концептуально проста для понимания.

7.

•Недостатки:
• Неэффективное использование ресурсов: Канал занят даже в те
моменты, когда абоненты молчат (паузы в разговоре). Ресурсы не
используются.
• Время установления соединения: Требуется время (несколько секунд)
для набора номера и коммутации каналов по всему пути.
• Высокая стоимость: Тарификация, как правило, привязана ко времени
занятия канала и расстоянию.
Заключение
Базовая услуга ТфОП с коммутацией каналов, основанная на предоставлении КТЧ
или ОЦК, стала фундаментом телефонной связи на протяжении большей части XX
века. Ее принципы заложили основу для понимания телекоммуникаций, однако в
современную эпоху доминирования IP-сетей и пакетной коммутации она
постепенно уступает место более гибким и эффективным технологиям, таким как
VoIP (Voice over IP).

8.

Канал тональной частоты (КТЧ)
Коммутируемые каналы аналоговой телефонной сети обеспечивают передачу
электрических сигналов связи в эффективно передаваемой полосе частот
(ЭППЧ) 0,3 — 3,4 кГц. Таким образом, полоса пропускания равна 3100 Гц.
Носителем информации является амплитуда передаваемого по линии
электрического сигнала.
A
А
А
полоса пропускания
несущая
полоса пропускания
t
кГц
300
3400 4000
кГц
300
3400 4000
Хотя человеческий голос имеет более широкий спектр - примерно от 100 Гц до
10 кГц, при такой полосе обеспечивается высокая степень разборчивости речи
и хорошая естественность (узнаваемость) её звучания, а теряется лишь
высокочастотная окраска голоса.
Строгое ограничение полосы пропускания тонального канала связано с
необходимостью обеспечения экономии частотного ресурса для
использования аппаратуры уплотнения и коммутации каналов в телефонных
сетях.

9.

Что такое Канал Тональной Частоты
(КТЧ)? Простыми словами
Представьте, что вам нужно переслать другу большую картину по узкой
трубе. Картина не влезет, и вам придется аккуратно свернуть ее, убрав
толстый каркас (раму), чтобы оставить только само изображение. Вы
жертвуете рамой, но суть картины доходит.
КТЧ — это и есть такая «труба» для вашего голоса. Это стандартный
«коридор», который телефонная сеть выделяет для одного разговора.
1. Главная характеристика КТЧ: «Ширина коридора» (Полоса
Наглядно это можно представить так:
пропускания)
•Какой ваш голос на самом деле? Человеческий голос создает звуковые
волны в очень широком диапазоне — примерно от 100 Герц (Гц) (низкие,
басовитые звуки) до 10 000 Гц (10 кГц) (высокие, звонкие звуки, шипение).
•В каком "коридоре" его передают? Телефонная сеть пропускает ваш голос
не полностью, а только через строго определенный «коридор» частот: от 300
Гц до 3400 Гц.
• Полоса пропускания = 3400 - 300 = 3100 Гц (или 3.1 кГц).
Наглядно это можно представить так:

10.

Из графика видно, что КТЧ «срезает» как очень низкие частоты (слева), так
и высокие (справа), оставляя лишь центральную, самую важную часть.

11.

2. Что мы теряем и что получаем?
•Что теряется? Исчезает «высокочастотная окраска»:
• Слегка приглушается природный тембр голоса.
• Теряются самые шипящие и свистящие звуки (например, в словах с
обилием букв «с», «ц», «ш»). Именно поэтому иногда по телефону
сложно различить слова вроде «шесть» и «шест».
•Что остается? Самое главное — разборчивость и узнаваемость.
• Разборчивость: Вы без проблем понимаете слова и смысл
сказанного. Все гласные и большинство согласных звуков передаются
идеально.
• Узнаваемость: Вы по-прежнему с легкостью узнаете голос своего
друга, мамы или коллеги. Основные характеристики голоса
сохраняются.
Вывод: Это разумный компромисс. Мы жертвуем незначительными деталями
3. Зачем вообще нужны эти ограничения? Причина — ЭКОНОМИЯ.
ради огромной выгоды.
Представьте, что каждая телефонная линия — это многополосное шоссе.
•Если бы каждый разговор занимал очень широкую полосу (например, 10
кГц), на одном кабеле или радиоканале можно было бы разместить очень мало
«полос для движения» (разговоров).
•Ограничив полосу до 3.1 кГц, инженеры смогли «упаковать» множество
разговоров в один физический кабель, не мешая друг другу. Это
называется уплотнение линий связи (например, с помощью аппаратуры
частотного разделения каналов).

12.

Аналогия: Если бы каждый автомобиль на дороге был шириной с автобус,
пробки были бы вечными. А вот компактные легковые машины позволяют
пустить по шоссе много потоков.
Итог: КТЧ — это фундамент
Канал Тональной Частоты — это базовый, стандартизированный
«строительный блок» всей традиционной телефонной связи. Это гениальное
инженерное решение, которое почти 100 лет позволяло обеспечивать связью
миллиарды людей, находя идеальный баланс между качеством,
достаточным для понимания, и экономической эффективностью.

13.

Основной цифровой канал (ОЦК)
Коммутируемые каналы цифровой телефонной сети обеспечивают передачу
электрических сигналов связи в цифровых каналах, кратных 64 кбит/c.
Носителем информации является не амплитуда передаваемого по линии
электрического сигнала, а временная последовательность импульсов.
Основной цифровой канал (ОЦК) представляет собой бесконечную
последовательность байтов с периодом следования 125 мкс. Емкость
основного цифрового канала составляет 64 кбит/c. Иногда используют
синоним – временной интервал ВИ (time slot).
ОЦК образуется путем трехступенчатого преобразования из КТЧ:
дискретизация, квантование и кодирование.
Способ получил название ИКМ. А устройство, преобразующее канал КТЧ в
канал ОЦК – ИКМ-кодек.
Аналоговый сигнал
А
дискретизация
Цифровой сигнал
интервал 125 мкс (ВИ)
квантование
t
t
кодирование
1-й
разряд
2-й
разряд
3-й
разряд
4-й
разряд
5-й
разряд
6-й
разряд
7-й
разряд
8-й
разряд
A

14.

Что такое ОЦК
Представьте, что вам нужно переслать другу кусок пирога (это ваш голос)
через всю страну. Просто так он испортится. Что делать?
1.Вы его фотографируете с разных ракурсов (это дискретизация).
2.Описываете каждый снимок точными цифрами (цвет, высоту)
(это квантование).
3.Переводите эти цифры в двоичный код (единицы и нули) и
отправляете этот код по интернету (это кодирование).
Ваш друг получает код, собирает из него цифровое описание и печатает
точную копию вашего пирога на 3D-принтере.
ОЦК — это и есть стандартная «коробка» с цифровым описанием
вашего голоса, которая передается по сети. Её размер строго
фиксирован: 64 000 бит в секунду.
Рассмотрим на простом примере:

15.

Представьте, что ваш голос — это горка песка

16.

ШАГ 1: Набираем песок ложками (Дискретизация)

17.

Дискретизация
Простыми словами: Это как смотреть мультфильм.
Представьте старый мультфильм, который нарисован на многих листах
бумаги. Если вы будете быстро их перелистывать, получится плавное
движение.
•Что делаем? Мы "фотографируем" плавный звук вашего голоса много-много
раз подряд.
•Зачем? Чтобы получить не плавную волну, а множество отдельных
"фотографий" или "кадров" звука.
•Как часто? Очень быстро! 8000 раз в секунду. Глаз этого не видит, а ухо не
слышит — поэтому нам кажется, что звук плавный.
Итог: Дискретизация — это разрезание плавного звука на множество
отдельных кусочков-замеров.

18.

ШАГ 2: Просеиваем через сито (Квантование)

19.

Квантование
Простыми словами: Это как измерение роста с помощью линейки.
Представьте, что вам нужно измерить рост всех людей в комнате. У вас есть
линейка только с целыми числами: 170 см, 171 см, 172 см и т.д.
•Что делаем? Мы берем каждый "кусочек звука" (каждый замер) и
"измеряем" его по специальной "линейке".
•Зачем? Чтобы описать громкость этого кусочка не примерными словами
("тихий", "громкий"), а точной цифрой.
•Как точно? В телефонии эта "линейка" имеет 256 делений (от 0 — тишина,
до 255 — самый громкий звук). Если ваш звук попал между делениями, мы
округляем его до ближайшего.
Итог: Квантование — это измерение каждого кусочка звука и присвоение
ему точного номера.

20.

ШАГ 3: Записываем цифрами (Кодирование)
Переводим в компьютерный язык:
Кодирование
Простыми словами: Это как перевод с русского на английский, но для
компьютера.
У компьютера свой язык — он понимает только два символа: 0 и 1.
•Что делаем? Мы берем все цифры, которые получились после "измерения"
(квантования), и переводим каждую в специальный код из нулей и единиц.
•Зачем? Чтобы компьютер и цифровая сеть смогли передать и обработать
наш звук.
•Как? Каждое число от 0 до 255 превращается в комбинацию из 8 нулей и
единиц.
• Например, цифра 150 превращается в 10010110
• Цифра 180 превращается в 10110100
Итог: Кодирование — это превращение всех наших цифр в

21.

ПОЧЕМУ ИМЕННО 64 кбит/с?
ЧТО ТАКОЕ ОЦК? ФИНАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ОСНОВНОЙ ЦИФРОВОЙ КАНАЛ (ОЦК) — это стандартная "труба", через
которую каждую секунду проходят 64 000 нулей и единиц — оцифрованная
версия вашего голоса.
•Входите вы — говорите в микрофон
•Посередине — ваш голос превращается в нули и единицы
•Выходит — друг слышит ваш голос в трубке

22.

ИКМ-кодирование
1. Дискретизация - представление непрерывного
аналогового сигнала последовательностью его значений
(отсчетов). Эти отсчеты берутся в моменты времени,
отделенные друг от друга интервалом дискретизации.
Диапазон частот КТЧ составляет 300—3400 Гц. Для
дискретизации по теореме Котельникова необходимо
удвоить частоту 3400 Гц. Получаем 6800 Гц. Из-за не
идеальности фильтров, имеющих полосу расфильтровки,
отличную от нуля, частоту дискретизации увеличили до
8000 Гц.
2. Квантование - замена величины отсчета
сигнала ближайшим значением из набора
фиксированных величин - уровней
квантования. Уровни квантования делят
весь диапазон возможного изменения
значений сигнала на конечное число
интервалов - шагов квантования (256).
3. В канал передаётся не сам отсчёт, а двоичная
кодовая комбинация, обозначающая его номер.
Операция преобразования квантованных отсчетов в
кодовое слово называется кодированием. Каждое
кодовое слово передается в пределах одного интервала
дискретизации.
8 бит * 8000 отсчетов/с = 64 кБит/с.

23.

Канал тональной
частоты
(однопроводная цепь)
ы
стот
а
ч
й
ьно я цепь)
л
а
тон одна
л
а
н
Ка ухп ров
(дв
н
Ос
XX век
ов
xDSL
ой
ов
р
ф )
ци ЦК
й
но (О
50-е годы
ал
н
ка
.
.
.
FTTx
BWA
Широкополосные тракты
Хронология использования
телефонных каналов
Время
XXI век

24.

Всё началось с тропинки
1. Канал тональной частоты (однопроводная цепь)
•Когда: Раньше всех (условно до 50-х)
•Простая аналогия: Представьте один провод — это как веревка,
натянутая между двумя банками. Вы говорите в одну банку, ваш друг
слышит из другой.
•Плюс: Очень просто и дёшево.
•Минус: Качество ужасное. Шумы, помехи, нельзя говорить далеко. Как будто
кричите через шумную улицу.
Потом сделали нормальную дорогу
2. Канал тональной частоты (двухпроводная цепь)
•Когда: Середина XX века (примерно 50-е годы)
•Простая аналогия: Это как настоящий телефонный провод, который
раньше тянули в каждый дом. Вместо одного провода — два (как "туда" и
"обратно").
•Что это дало: Появилась система, которая гасит собственные помехи. Звук
стал чище, громче, можно звонить на большие расстояния. Это та самая
классическая телефонная связь, которую все помнят.
•Ограничение: По этой "дороге" можно передать только голос. Она как узкий
мост — только для легковых машин (вашего разговора). Для интернета она
слишком медленная.

25.

Началась эра скоростных магистралей
3. Основной цифровой канал (ОЦК)
•Когда: Конец XX века
•Простая аналогия: Это первое шоссе с асфальтом. Ваш голос не "едет"
как есть, а сначала переводится в цифровой код (нули и единицы).
•Что это дало:
• Качество: Звук стал идеально чистым, как CD-запись.
• Надёжность: Помехи почти не влияют, потому что компьютер на
другом конце легко отличает 0 от 1.
• Эффективность: По одному такому "шоссе" можно одновременно
пустить много голосовых "машин", не мешая друг другу.
•Это основа всей современной телефонии.
А потом появились многополосные хайвеи
4. Широкополосные тракты (XDSL, FTTx, BWA)
•Когда: XXI век
•Простая аналогия: Это 8-полосное скоростное шоссе, построенное
поверх старой дороги или рядом с ней.
• XDSL (ADSL, VDSL): Это технология, которая позволяет по старым
медным телефонным проводам (двухпроводная цепь) пустить не
только голос, но и высокоскоростной интернет. Представьте, что по
узкому мосту пустили не только машины, но и скоростные мотоциклы
(данные) рядом с ними.

26.

•FTTx (Оптика до...): Это когда к вашему дому или району
проложили оптическое волокно. Это уже не шоссе, а скоростной
железнодорожный путь для данных. Пропускная способность огромна!
•BWA (Беспроводной широкополосный доступ): Это скоростной интернет
по воздуху, например, 4G/5G. Это как воздушный мост для данных.
Итог одной картинкой:
Эволюция прошла путь:
1.Грязная тропа (Однопроводная) → Только голос, плохое качество.
2.Асфальтированная дорога (Двухпроводная) → Чистый голос на большие
расстояния.
3.Первое шоссе (ОЦК) → Голос превратили в цифру, качество стало
идеальным.
4.Многополосный хайвей (Широкополосные технологии) → По "дорогам"
пустили не только голос, но и видео, игры, интернет — всё и сразу.

27.

Схема организации
телефонного канала
ТА
АСК
Групповой
тракт ВЧ
ААЛ
Канал ТЧ
АСП
АСП
АСК
Канал ТЧ
ААЛ
ААЛ
Канал ТЧ
Канал ТЧ
Аналоговая телефонная сеть с использованием каналов КТЧ

28.

Аналоговая сеть - "Путешествие на почтовой карете"
Здесь ваш голос путешествует как есть, без преобразований.
Что происходит на пути:
1.ТА (Телефонный Аппарат) - Вы упаковываете свой голос в посылку
(превращаете звук в электрический сигнал).
2.АЛ (Абонентская Линия) - Это грунтовая дорога от вашего дома до
почтового отделения. Одна посылка едет по одной дороге.
3.АСК (Аппаратура Системы Каналообразования) - Это сортировочный
центр. Здесь посылки от разных людей аккуратно группируют в одну
большую партию, чтобы отправить её далеко по одной большой дороге.
1. Канал ТЧ - это ваша отдельная посылка.
2. Групповой тракт ВЧ (Высокой Частоты) - это большое
шоссе (например, коаксиальный кабель или радиорелейная линия), по
которому одновременно едут сотни таких посылок-каналов.
4.АСП (Аппаратура Системы Передачи) - Это двигатель и контролёр на этом
шоссе. Она обеспечивает движение большой партии посылок на большие
расстояния.
Обратный путь: На другом конце происходит то же самое, но в обратном
порядке: Большая партия прибывает на сортировочный центр (АСК), где её
разбирают на отдельные посылки (Каналы ТЧ), которые затем по своим
грунтовым дорогам (ААЛ) развозят по домам (ТА).
Ключевая мысль: В аналоговой сети ваш голос (сигнал) физически
"путешествует" по разным дорогам, его группируют и разгруппировывают.