Введение в специальность

285

коведущих жил, слоев изоляции, надежной броневой оболочки. Кабель укладывается под землей в траншеи, для защиты от проникновениявлагивнемпостоянноподдерживаетсяизбыточноедавление воздуха. Каждые несколько километров кабель «всплывает» на поверхность, где в специальных будках размещено необслуживаемоеусилительноеидругоевспомогательноеоборудование. Эти будки и предупреджающие надписи «Осторожно, кабель связи» иногда попадаются по обочинам дорог.

Ещеболеесложнымииидорогимиявляютсяморскиетелефонные кабели. Прошло много лет, пока ламповые усилители научились встраивать в подводные кабели так, чтобы они выдерживали гигантское давление океанских глубин. Только в 1956 году, ровно через90 летпослесооружениямежконтинетальноготелеграфа, был проложен первый трансатлантический телефонный кабель ТАТ-1 (Trans-Atlantic Telephone). Строго говоря, это был не один, а два параллельныхкабелянарасстоянии40 кмодинотдругого, передающие сигналы в разные стороны, каждый имел по 51 ламповому усилителю. Устойчивая телефонная связь через океан стала реальностью. Таким образом, проиграв радисвязи в начале века в трансконтинетальном состязании, кабели вновь захватили лидерство. Свойглавныйнедостаток–- колоссальнуюстоимостьлинейныхсооружений - они попытались смягчить, реализуя принцип многока-

Трансатлантическиетелефонныекабели

286

нальной связи. При этом под землей и под водой прокладываются не обычные телефонные кабели, пропускающие только колебания низких(звуковых) частот, аспециальныевысокочастотные, способные передавать радиосигналы в полосе до миллионов Гц. Высокочастотный кабель обычно изготовляется в коаксиальном исполнении, подобным кабелем к телевизору подключается антенна. Кабели связывают друг с другом крупные узлы междугородной связи и пониморганизуетсяодновременномножествоаналоговыхилицифровыхканалов. Например, покабелюTAT-1 передавалось, 48 телефонныхканалов, вдальнейшемпараметрыкабелейпостоянноулучшались. КабельTAT-7, проложенныйв1983 году, былспособенпропускать уже 4 000 телефонных каналов, и это не предел.

Радиорелейныелинии. Сдругойстороны, радиосвязьтожене стояла на месте. Общей ее тенденцией на протяжении всего XX векабылоосвоениевсеболееиболеевысокихчастот. Начавсдлинных волн (ДВ), радиовещание и радиотелефония постепенно перешлинасрелние(СВ), затемнакороткие(КВ) и, наконец, наультракороткие (УКВ), к которым относятся волны длиной менее 10 м (частота более 30 МГц).

У ультракоротких волн есть ряд принципиальных достоинств. Во-первых, в данном диапазоне волн практически нет атмосферныхпомех, вчемлегкоубедиться, сравнивкачестворадиопередачи в диапазонах СВ и УКВ на любом радиоприемнике. Во-вторых, УКВ-диапазон неизмеримо просторнее длинноволновых. В один УКВ-радиоканал можно уплотнить множество телефонных каналов и передать их практически без помех через эфир получателю.

Значитлиэто, чтоУКВ-радиосвязьрадикальнорешаетпробле- мудальнейтелефониииненужнотратитьбаснословныеденьгина кабельныесооружения? Ксожалению, вэтоммиреничтонедается даром. Наряду со всеми достоинствами УКВ-радиоволны имеют одинпринципиальныйнедостатоконинеогибаютземнуюповерхностькакДВиСВ, араспространяютсятольковпределахпрямой видимости. Следовательно, для передачи УКВ-сигнала между городами необходимо построить цепочку приемо-передающих стан-

ций, называемую радиорелейной линией - РРЛ.

				287
		Эксперименталь-
	ные РРЛ начали стро-
	иться еще в 1940-х го-
	дах, в1950-егодыбаш-		B
	ни	радиорелейных
	станций с направлен-		A	C
	ными в разные сторо-
	нызеркалами-антенна-
	ми украсили пейзажи		Принципдействиярадиорелейной
	многих стран, они
			и спутниковой линий передачи
	обеспечивали органи-
	зацию60-120 телефон-
	ных каналов в одном стволе в дециметровом диапазоне 1-2 ГГц.
	Современныерадиорелейныелинии, работающиевсантиметровом
	диапазоне, обладают очень большой пропускной способностью и
	выступают как альтернатива кабельным при сооружении магист-
	ральныхканаловсвязи. Например, самаядлиннаявмиреРРЛМос-
	ква-Хабаровск имеет протяженность около 8 000 км, она насчиты-
	вает 162 ралиорелейных станции, оснащена оборудованием швед-
	ской фирмы Ericsson (той самой, которая еще в конце прошлого
	века стала производить телефонные аппараты) и имеет пропуск-
	ную способность 155 Мбит/с в каждом из 8 стволов, что достаточ-
	но для организации почти 20 000 телефонных каналов.
		Спомощьюрадиорелейныхлинийбылирешенымногиенасущ-
	ныепроблемымеждугороднойсвязи, насушеРРЛпотеснилимаги-
	стральныевысокочастотныекабели, однакодляорганизациитрансо-
	кеанской связи они оказались непригодны - в море не поставишь
	ретранслятора. Лидерство на этом фронте долго оставалось у под-
	водныхкабеляей, которыек1980-мгодамбылисильноусовершен-
	ствованы.
		Спутниковыерадиолинии. Принципиальноновымнаправле-
	нием, позволившим радиосвязи вырваться вперед в соревновании
	с кабельными магистралями, стали спутниковые линии передачи,
	которые появились вскоре после исторического запуска 4 октября
	1957 годапервогоискусственногоспутникаЗемли. Первыекоммер-

288

ческие связные спутники были выведены на орбиту в 1965 году. В

СССР - «Молния-1», в США - Early Bird («Ранняя пташка»). Уже аппаратура «Ранней пташки» была рассчитана на передачу 240 телефонныхканалов, чтов5 разпревышалопропускнуюспособность трансатлантического кабеля TAT-1, а запущенные в 1971-1980 годах спутники «Интелсат» пропускали по 6 000-12 000 разговоров плюс два канала телевидения.

Радиорелейные и спутниковые линии передачи обладают большойпропускнойспособностью, достигающейсотен––– Мбит/с. Кроме телевизионных сигналов по ним передаются сотни телефонных разговоров, данные компьютерных сетей и т. д. Однако потребности информационногообществарастуттакбыстро, чтоивУКВдиапазоне становится тоже тесно.

Согласно известной нам формуле Шеннона, для увеличения пропускной способностьи канала связи есть две принциптальных возможности: либо увеличивать отношение сигнал/шум S /N , либо расширять полосу используемых частот F. Так как увеличение мощности сигнала допустимо только до определенных пределов, остаетсяединственныйвыход– осваиватьещеболеевысокиечастоты, относящиесяужексветовомудиапазону.

Оптические линии. Недаромговорят, чтопрогресс развивается по спирали. Передача сообщений световыми сигналами практиковалась еще в глубокой древности, а в новое время, до изобретения электрического телеграфа, существовал телеграф оптический. Междугородамистроилицепочкубашен, находящихсянарасстоянии прямой видимости друг от друга, на каждой башне устанавливалисьогромныепередвижныекрылья, взаимноерасположениекоторых соответствовало символам алфавита Первую линию такого телеграфа построили в 1794 году во Франции между Парижем и Лиллем, а самая длинная линия оптического телеграфа длиной более 1200 км действовала в середине XIX века между Петербургом и Варшавой. Сигнал по линии проходил из конца в конец за 15 минут.

В конце XX века идея передачи данных с помощью света реализовалась на новом уровне в виде волоконно-оптических (fiber

Услиление и регенерация сигналов

289

optic) линий передачи. Первые опыты по пересылке телефонных сигналов по оптическому волокну были проведены в 1966 году, с тех пор оптические технология превратились из экспериментальных в промышленные. Принципиальные достоинства оптических линий – высокая пропускная способность (до миллиардов битов в сек - Гбит/с), защищенность от помех и подслушивания – обеспечили им широчайшую область применения, отгородских телефонныхсетейдотрансконтинентальныхмагистралей. В1988 годубыли проложеныпервыеокеанскиеоптическиелинии: атлантическаяли- нияTAT-8, соединившаяСША, ВеликобританиюиФранциюиобеспечившаяодновременнуюпередачу40 тысячтелефонныхканалов, и тихоокеанская линия TPC-3. Сразу появилась идея создать на их основе глобальное цифровое кольцо связи через три океана (Тихий, ИндийскийиАтлантический) итриматерика(Азию, Европуи Северную Америку). К концу XX века в результате реализации нескольких грандиозных международных проектов все континенты оказались закольцованы в единую планетарную информационную супермагистраль.

Какова бы ни была передающая среда, посланный по ней электрический или световой сигнал неизбежно испытывает ослабление(attenuation) или, какговорилирань-

ше, затухание. Чем длиннее отрезок среды, тем ослабление больше. Для каждой передающей среды и каждого типа каналообразующейаппаратуры существуеткритическоерасстояние, закоторым еенормальнаяработастановитсяневозможной. Еслижесигналнеобходимо передать на более отдаленное расстояние, то линию передачи приходится разбивать на отдельные участки, состоящие из отрезков передающей среды и промежуточных пунктов, в которых осуществляется восстановление ослабленного сигнала и передача его в следующий отрезок.

Устройствопромежуточных пунктовналинииперелачи различается в зависимости от того, какого вида сигналы по ней передаются. Еслисистемасвязианалоговая, тонакаждомучасткедолжно происходитьусилениесигналассохранениемегоформы. Приэтом,

290

Передатчик

У с и л и т е л и

Приемник

Накопление шумов в аналоговой линии передачи

посколькуусиливаетсянетолькополезныйсигнал, ноишумы, «прилипшие» к нему на предыдущих отрезках передающей среды, то померепродвижениясигналаотисточникакполучателюпроисходит накопление шумов.Так как число усилительных пунктов на дальних линиях исчисляется десятками, то к концу путешествия исходныйсигналможетсильноисказиться. Именнопоэтойпричине на протяжении многих лет, пока системы связи были сплошь аналоговыми, междугородныетелефонныепереговорысдалекими родственникамибылиистинныммучением, старшеепоколениеэто хорошо помнит.

Цифровые линии передачи устроены иначе. Поскольку форма импульсногосигнала, поступившегонаусилительныйпункт, несущественна, а важен лишь сам факт его присутствияв, там устанавливаетсянеусилитель, арегенератор(repeater), обнаруживающий сигналнафонешумовивосстановливающийегоисходную форму. Поэтому накопления шумов не неблюдается, а для борьбы с возможными ошибками обнаружения сигнала в цифровых системах связиприменяютсяспециальныеметоды помехоустойчивогокодирования, общая теория которых была разработана известным нам

0 1 0 1 0

01010		01010
Передатчик	Р е г е н е р а т о р ы	Приемник

Цифровая линия передачи

291

Клодом Шенноном В результате цифровая лмнмя практически без искажений передает исходный сигнал вне завистмости от дальности.

Указанное принципиальное свойство цифровых систем сделало их чрезвычайно привлекательными для использования, и, как толькоуспехимикроэлектроникипозволилисоздаватьнадежныеи компактныеустройства, началасьбурнаяцифровизациясистемсвязи, о которой мы уже говорили. Появление волоконно-оптических кабелей стимулировало этот процесс, так как световой сигнал по своейприродедвоичный: световойимпульслибоесть, либоегонет.

Длинаусилительногоилирегенерационногоучасткаможетварьироваться в широких пределах. Если говорить о кабельных линиях, то эта длина зависит, во-первых, от конструкции кабеля (дорогой кабель с толстыми медными жилами дает меньшее ослабление и, следовательно, допучкает большую длину, чем дешевый кабель с тонкими жилами), а, во-вторых, от вида сигнала, передаваемого по кабелю. Теория распространения сигнала по длинной линии была создана еще научным руководителем проекта трансокеанскоготелеграфасэромУильямомТомсоном, которыйв1855 году вывел так называемые «телеграфные уравнения». Анализируя их, Томпсон установил «правило квадратов»: при увеличении длины кабеля в 2 раза допустимая скорость манипуляции падает в 4 раза.

В общем случае критическая длина участка, на котором возможна связь без усиления или регенерации сигнала, сокращается с расширением спектра аналогового сигнала илисповышением скоростиманипуляциицифровогосигнала, атакжесувеличениемчисла каналов в могоканальной системе. Например, если обычный телефонный кабель используется для одного разговора, то эта длина составляет 50-60 км, а если по нему нужно передать три десятка разговоров или соответствующий им цифровой поток порядка 2 Мбит/с – то она находится в пределах 3-7 км в зависимости от толщины медных жил и состояния изоляции, а также от степени совершенстваканалообразующейаппаратуры. Приорганизациимагистральных междугородных систем связи с сотнями и тысячами каналов ТЧ приходится использовать не обычный телефонный, а

Сети

электросвязи

292

специальныйвысокочастотныйкоаксиальныйкабель, приэтомдлина усилительных участков составляет от 1,5 до 6 км.

Дляцифровыхсигналовсоскоростьюманипуляциипорядка100 МБодиболее, используемыхвсовременныхинтегральныхсистемах связи, критическая длина распространения на медных линиях измеряетсяужесотнямиметров. Такаядальностьвполнедостаточна для развертывания локальных вычислительных сетей, однако об организации скоростных междугородных систем передачи данных помеднымкабелямнеможетбытьиречи. Такиесистемысоздаются либо на радиорелейных линиях, либо на оптических кабелях, лучшиеобразцыкоторыхвыдерживаютрасстояниемеждупунктами регенерации до 50-70 км.

Современные цифровые технологии еще раз демонстрируют цикличностьнаучно-техническогопрогресса. Историческипервымилиниямипередачибылиименноцифровыетелеграфныелинии, в котороых регенерация сигнала осуществлялась с помощью электромагнитных реле, затем их заменили аналоговые телефонные и телевизионныелинии, ивотцифровыесистемы, реализованныена новом уровне технологии, опять завоевали мир электросвязи.

В начале настоящего параграфа мы определялисистемуэлектросвязикаккомплекс технических средств для образования ка-

налов связи между двумя пунктами. Для того, чтобы охватить связью территорию, имеющую множество пунктов, образуются сети электросвязи. Сети электросвязи – это сооружения громадной стоимости, значительная часть национального богатства, они создаются и развиваются на протяжении многих десятилетий. В результатедлительнойэволюциинатерриторииотдельныхстранивмеждународном масштабе сложилась определенная структура разнообразных сетей электросвязи, которые предоставляют абонентам различные виды услуг и взаимодействуют друг с другом.

Первичная сеть. На местном уровне, то есть в пределах населенногопункта, различныеуслугисвязипредоставляютсякакправило независимыми поставщиками услуг по отдельным линиям.

293

Так, телефоныеразговорыобеспечиваютсяпроложеннымиподземлей городскими телефонными сетями, проводное радиовещание ведетсяповоздушнымпроводнымлиниям, идущимпокрышамзданий, а телевизионные программы приходят в наш дом через эфир.

Однаконамеждугородномуровнестроитьотдельныелиниидля различных видов связи крайне невыгодно. Для организации дальней связи экономически целесообразно создавать мощные многоканальныесистемы, покоторыммогутодновременнопередаваться сигналы разных видов от различных источников. Эти системы со всейсопутствующейинфраструктурой(кабельныемагистрали, усилительные и регенерационные пункты, радиорелейные станции, станции космической связи и т .д.), а также сетевые узлы, стоящие на пересечении линий передачи образуют так называемую первичную сеть, которая представляет собой основу, скелет сети связи.

Для таких больших стран как Россия первичная сеть подразделяется на отдельные зоны, обычно соответствующие административному делению, причем сетевые узлы располагаются как правило в административных центрах. Магистральная первичная сеть связывает зоны между собой, а местные сети связывают населенные пункты внутри одной зоны.

На протяжении всего XX века шло формирование первичной сети связи в национальных и интернациональном масштабах, ее основу составляют закопанные в землю и идущие по дну океанов сотни тысяч километров магистральных кабельных линий, к которым во второй половине века добавились радиорелейные линии и спутники связи. Коммуникационная сфера деятельности в силу ее затратности и критичности для национальной безопасности сильно монополизирована и жестко контролируется государственными органами.

ВСоветскомСоюзенациональнаяпервичнаясетьпринадлежала государству и управлялась Министерством связи. После распада

СССРпроизошлорасчленениеминистерства, натерриторииРоссии появилосьмножествооператоровсвязиразногоуровня. Основным оператором дальней связи, владельцем большей части магистральной первичной сети является АО «Ростелеком», а

294

местные сети связи принадлежат региональным компаниям «Томсктелеком», «Новосибирсктелеком» и т. п. Монополию этого те–лекоммуникационного сообщества в последние годы пытается подорвать компания Транстелеком –– дитя российских железных дорог, реализовавшая оригинальный и масштабный проект альтернативной цифровой магистральной сети связи. Использовав опорыконтакнойсетивкачествеготовыхибесплатныхдержателей, компания в короткое время протянула по воздуху вдоль железных дорог 45 тысяч километров оптического кабеля, соединившего 974

Зона 1

Зона 2

A	A
B	B

B		A
A	Зона 3	B

Зона 4

Обозначения

			Многоканальная		Узел коммутации вторичной
			система свчзи	A	телефонной сети
			Сетевой узел		Узел коммутации вторичной
				B
			первичной сети		компьютерной сети

Абонент	Абонент
телефонной сети	компьютерной сети

Первичная и вторичные сети связи