Волоконно-оптические системы связи

Содержание

Введение

Основная часть

1. История развития телекоммуникаций

1.1 Волоконно-оптические системы связи

1.2 Беспроводная связь

2. Основные направления в развитии телекоммуникаций

2.1 Перспективы развития цифрового телевидения

2.2 Текущее состояние и перспективы развития кабельных систем

2.3 Спутниковая связь РФ

2.4 Интернет

2.5 Сотовая связь в России

3. Телекоммуникационные сети

3.1 Современные тенденции развития телекоммуникационных сетей

3.2 Транспортный уровень

3.3 Беспроводный IP-доступ

Заключение

Глоссарий

Список использованных источников

Введение

 

На сегодняшний день потребность в общении, в передачи и хранении информации возникает всё в больше и больше, это связано с развитием человеческого общества.

Новые условия жизни дают нам понять, что информационная сфера деятельности человека является определяющим фактором интеллектуальной, экономической и оборонной возможностей государства и человеческого общества в целом.

Создание всей совокупности материальных и политических условий в области связи привели к взрыву в области информации и перевороту в образе мыслей и действий людей. В настоящее время люди, общаясь друг с другом, за счет интеллектуальной речевой активности снабжают ноополе, являющееся аналогом Интернета, морфологическими языковыми структурами, которые управляют жизнью на земле.

Актуальность данной темы состоит в том, что для развития общества, необходимо внедрение инновационных систем. Это связанно с тем, что человечество переходит на новый уровень общения и передачи информации. Теперь для того, что бы передать сообщение нет необходимости находиться на близком расстоянии. Есть возможность передавать информацию из разных точек планеты. Коммуникационные системы оказывают большое влияние на все сферы жизни человека. России необходимо финансировать развитее коммуникационных систем, т.к. государство стоит на ступень ниже, в сравнении с мировыми тенденциями. Развитие связи в начале ХХI века характеризуется следующими понятиями: универсализация, интеграция, интеллектуализация - в части технических средств и в сетевом плане; глобализация, персонализация - в части услуг. Прогресс в области связи основан на разработке и освоении новых телекоммуникационных технологий, а также на дальнейшем развитии и совершенствовании еще не исчерпавших свой потенциал существующих. Последние годы в России с точки зрения развития телекоммуникаций не были стабильными. Им предшествовал мировой кризис в области телекоммуникаций, который привел к снижению темпов роста. Тем не менее даже в этот период развивались и внедрялись новые телекоммуникационные технологии. В течение этого периода в рамках ОАО "Связьинвест" была проведена структуризация бывших сетей электросвязи в сторону их укрупнения, созданы сильные, высоко капитализированные, прибыльные и конкурентно-способные компании. В результате в России существует семь межрегиональных компаний (МРК), а на телекоммуникационном рынке действует около 6500 зарегистрированных новых операторов. В июне 2003 года Государственной думой РФ был принят новый федеральный закон "О связи", введенный в действие с 1 января 2004 года. С этим связано по существу завершение одного этапа развития связи в России и начало нового этапа.

Модернизация сетей наземного эфирного вещания путем перехода на цифровые технологии является мировой тенденцией, которой следует и Российская Федерация. Переход на цифровое вещание в России не только позволит обеспечить население многопрограммным вещанием заданного качества, но и окажет стимулирующее воздействие на развитие рынков СМИ, связи и производства отечественного теле - и радиооборудования, создание инфраструктуры производственно-внедренческих, сбытовых и сервисных организаций, дальнейшее развитие малого и среднего предпринимательства и развитие конкуренции в данной сфере. Основной целью, согласно Концепции развития телерадиовещания в Российской Федерации на 2008 - 2015 годы, является обеспечение населения многопрограммным вещанием с гарантированным предоставлением общедоступных телевизионных каналов и радиоканалов заданного качества, что позволит государству полнее реализовать конституционное право граждан на получение информации.

Объектом исследования данной выпускной квалификационной работы являются телекоммуникационные системы.

Предметом исследования является анализ развития телекоммуникационных систем.

Цель выполнения данной выпускной квалификационной работы является рассмотрение перспектив развития телекоммуникационных систем.

Основная часть.

телекоммуникационная сотовая спутниковая связь

История развития телекоммуникаций

 

Волоконно-оптические системы связи

 

Развитие электрических систем передачи информации началось с изобретения П.Л. Шиллингом в 1832 году телеграфной линии с использованием иголок. Медный провод использовался как линия связи. Такая линия обеспечивала скорость передачи информации - 3 бит/с (1/3 буквы). Первая телеграфная линия Морзе (1844 г) обеспечивала скорость 5 бит/с (0,5 буквы). В 1860 г. была изобретена печатающая телеграфная система. Она обеспечивала скорость - 10 бит/с (1 буква). Уже в 1874 г. система шестикратного телеграфного аппарата Бодо обеспечивала скорость передачи - 100 бит/с (10 букв). Первые телефонные линии были построены на основе изобретенного в 1876 году Беллом телефона. Они обеспечивали скорость передачи информации 1000 бит/с (1кбит/с - 100 букв).

Первая телефонная цепь использованная на практике была однопроводной с телефонными аппаратами, включенными на ее концах. Такой способ требовал большого количества соединительных линий и самих телефонных аппаратов. Это устройство в последствии в 1878 году было заменили коммутатором, позволившим соединить несколько телефонных аппаратов через единое коммутационное поле. Первоначально используемые однопроводные цепи с заземленным проводом были заменены двухпроводными линиями передачи до 1900года. Несмотря на изобретение коммутатора, каждый абонент имел свою линию связи. Поэтому необходимо было придумать способ, позволяющий увеличить количество каналов без прокладки дополнительных тысяч километров проводов. Первая коммерческая система уплотнения была создана в США. Благодаря этому устройству в 1918 году между Балтимором и Питсбургом начала работать четырехканальная система с частотным разделением каналов. Большинство разработок было направлено на увеличение эффективности систем уплотнения воздушных линий и многопарных кабелей. Именно по этим двум средам передачи были организованы почти все телефонные цепи до второй мировой войны.

В 1920 году была изобретена шести-двенадцати канальная система передачи. Это увеличило скорость передачи информации в заданной полосе частот до 10 000бит/с, (10кбит/с - 1000 букв). Верхние граничные частоты воздушных и многопарных кабельных линий составляли соответственно 150 и 600 кГц. Потребности передачи больших объемов информации требовали создания широкополосных систем передачи.

В 30-40 годах ХХ века были введены в обращение коаксиальные кабели. В 1948 году между городами, находящимися на атлантическом и тихоокеанском побережьях США, была введена в эксплуатацию коаксиально-кабельная система L1. Эта система позволила увеличить полосу пропускания частот линейного тракта до 1,3 МГц, и это обеспечило передачу информации по 600 каналам.

После второй мировой войны начали проводить активные исследования по совершенствованию коаксиально-кабельных систем. Изначально коаксиальные цепи прокладывались отдельно, но позднее их объединили в несколько коаксиальных кабелей в общей защитной оболочке. Например, американская фирма Белл разработала в 60-е годы ХХ века межконтинентальную систему с шириной полосы 17,5 МГц (3600 каналов по коаксиальной цепи или "трубке").

В СССР, в то же время разрабатывалась система К-3600 на отечественном кабеле КМБ 8/6, имеющем 14 коаксиальных цепей в одной оболочке. Через какое-то время изобретают коаксиальную систему с шириной полосы пропускания 60 МГц. Это обеспечивало емкость 9000 каналов в каждой паре. В общей оболочке объединены 22 пары.

Коаксиальные кабельные системы большой емкости использовались для связи между двумя близко расположенными центрами с высокой плотностью населения. Однако стоимость строительства таких систем была высокой. Это происходило из-за малого расстояния между промежуточными усилителями и вследствие большой стоимости кабеля и его прокладки. По современным воззрениям, все электромагнитные излучения, в том числе радиоволны и видимый свет, имеют двойственную структуру и ведут себя то как волнообразный процесс в непрерывной среде то как поток частиц, получивших название фотонов, или квантов. Каждый квант обладает определенной энергией.

Ньютон впервые ввел понятие о свете как о потоке частиц.А. Эйнштейн на основе теории Планка возродил в новой форме в 1905 году корпускулярную теорию света, которую теперь принято называть квантовой теорией света. В 1917 году он теоретически предсказал явление вынужденного или индуцированного излучения. Благодаря этому впоследствии были созданы квантовые усилители. В 1951 году советские ученые В.А. Фабрикант, М.М. Вудынский и Ф.А. Бутаева получили патент на открытие принципа действия оптического усилителя. В 1953 году предложение о квантовом усилителе было сделано Вебером. В 1954 г.Н.Г. Басов и А.М. Прохоров предложили теоретически обоснованный проект молекулярного газового генератора. В 1954 году, независимо от них, Гордон, Цейгер и Таунс опубликовали сообщение о создании действующего квантового генератора на пучке молекул аммиака. В 1956 г. Бломберген установил возможность построения квантового усилителя на твердом парамагнитном веществе, а в 1957 году этот усилитель был собран Сковелем, Фехером и Зайделем. Построенные до 1960 г. квантовые генераторы и усилители получили название мазеров. Это название происходит от первых букв английских слов "Microwave amplification by stimulated emission of radiation", что означает "усиление микроволн с помощью вынужденного излучения".

Следующий этап развития связан с перенесением известных методов в оптический диапазон. В 1958 году Таунс и Шавлов теоретически обосновали возможность создания оптического квантового генератора (ОКГ) на твердом теле. В 1960 году Мейман построил первый импульсный ОКГ на твердом теле - рубине. В этом же году вопрос об ОКГ и квантовых усилителях независимо был проанализирован Н.Г. Басовым, О.Н. Крохиным и Ю.М. Поповым.

Первый газовый (гелий-неоновый) генератор был создан в 1961 году Джанаваном, Беннетом и Эрриотом. В 1962 г. был создан первый полупроводниковый ОКГ. Оптические квантовые генераторы (ОКГ) получили название лазеров. После создания первых мазеров и лазеров их стали использовать в системах связи.

Волоконная оптика появилась в начале 50-х годов как новое направление техники. В то же время стали делать тонкие двухслойные волокна из прозрачных материалов (стекло, кварц и др.). К этому времени было доказано, что если соответствующим образом выбрать оптические свойства внутренней и наружной частей такого волокна, то луч света, введенный во внутрь, будет только по нему и распространяться, отражаясь от оболочки. Даже если волокно изогнуть, луч по прежнему будет удерживаться внутри сердечника. Таким образом, световой луч, попадая в оптическое волокно, способен распространяться по любой криволинейной траектории. Этот процесс аналогичен, текущему по металлическому проводу, электрическому току. Поэтому двухслойное оптическое волокно часто называют светопроводом или световодом. Стеклянные или кварцевые волокна очень гибкие и тонкие, но не смотря на это прочны (прочнее стальных нитей того же диаметра). Световоды 50-х годов были недостаточно прозрачны, и при длине 5-10 м свет в них полностью поглощался.

В 1966 г. была предложена идея о возможности использования световодов для целей связи. Благодаря техническим разработкам в 1970 г. было добыто сверхчистое кварцевое волокно, способное пропустить световой луч на расстояние до 2 км. В этом же году началось стремительное развитие волоконно-оптической связи. Появились новые методы изготовления волокон; создаются миниатюрные лазеры, фотоприемники, оптические разъемные соединители и т.п.

К 1973-1974 гг. расстояние, проходимое лучом по оптоволокну, достигло 20 км, а к началу 80-х годов 200 км. В то же временя скорость передачи информации по ВОЛС возросла в несколько миллиардов бит/с. Выяснилось, что ВОЛС имеют целый ряд достоинств.

На световой сигнал не влияют внешние электромагнитные помехи. Сигнал невозможно подслушать или перехватить. Волоконные световоды имеют отличные технические и экономические показатели: применяемые материалы имеют малую удельную массу, не нуждаются в тяжелых металлических оболочках; просты при прокладке, монтаже, эксплуатации. Волоконные световоды, как и обычные электрические провода, можно закладывать в подземную кабельную канализацию, монтировать на высоковольтных ЛЭП или силовых сетях электропоездов, а также совмещать с любыми другими коммуникациями. В отличие от электрических цепей, характеристики ВОЛС не зависят от их длины, от включения или отключения дополнительных линий. В волоконных световодах не бывает искрение и замыкание, что открывает возможность использования их во взрывоопасных и подобных им производствах.

Важное значение в распространении ВОЛС имеет экономический фактор. В конце двадцатого века волоконные линии связи имели одинаковую стоимость с проводными линиями. Но со временем, учитывая дефицит меди, положение непременно изменится. Это убеждение основано на неограниченных сырьевых ресурсах кварца, который является основным материалом световода, тогда как основу проводных линий составляют такие металлы, как медь и свинец. В настоящее время оптические линии связи доминируют во всех телекоммуникационных системах, начиная от магистральных сетей до домовой распределительной сети. Благодаря развитию оптико-волоконных линий связи активно внедряются мультисервисные системы, которые дают возможность довести до конечного потребителя в одном кабеле телефонию, телевидение и Интернет.

Беспроводная связь

 

Пейджинговая связь - это радиотелефонная связь когда, пересылка по телефону продиктованных абонентом-отправителем сообщений и прием их по радиоканалу абонентом-получателем обеспечивается с помощью пейджера - радиоприемника с жидкокристаллическим дисплеем. На пейджере высвечиваются принятые послания. Суть пейджинговой связи заключалась в том, что абонент посылает сообщение на коммутатор, где производится его запись, которая затем передается другому абоненту. Первый пейджер был разработан в 1956 году в Англии. В то время количество абонентов не могло превышать 57. Пейджеры содержали несколько настроенных контуров. Эти контуры отслеживали характерную последовательность низкочастотных сигналов, при получении которых устройство подавало звуковые сигналы. Пейджеры такого вида называют тональными. При получении тонового сигнала абонент должен был поднести устройство к уху и прослушать сообщение, которое передавал диспетчер.

Сети, в то время, носили местный характер и ими пользовались в основном врачи, служащие аэропортов. Некоторые подобные сети существуют и сегодня для нужд конкретных служб.

К концу 2000 года число владельцев пейджеров в европейских странах превысило 20 миллионов.

История пейджинговой связи началась в конце 1960-х годов еще в СССР. Системы персонального радиовызова широко использовались отдельными государственными структурами. Например пейджер использовался в 1980 году во время московской Олимпиады. Пейджер активно использовали в качестве инструмента общения до тех пор, пока не появились сотовые телефоны - средство двухсторонней связи.

С тех пор, как появилась сотовая связь, развитие пейджера остановилось. В больших городах пейджинговые компании закрылись, уступив место операторам сотовой связи. Лишь в некоторых регионах пейджинговая связь сохранилась, а число клиентов пейджинговых компаний не превышает ста тысяч.

Связь называют мобильной, если источник информации и получатель перемещаются в пространстве. Радиосвязь является мобильной. Первые радиостанции предназначались для связи с подвижными объектами-кораблями. Первый прибор радиосвязи созданный А.С. Поповым был установлен на броненосце "Адмирал Апраксин". В те годы беспроводная связь требовала громоздких приемопередающих устройств. Это тормозило распространение индивидуальной радиосвязи даже в Вооруженных силах, не говоря уже о частных клиентах.17 июня 1946 года в Сент Луисе, США, компания Southwestern Bell запускают первую радиотелефонную сеть для частных клиентов и тут же становится лидером телефонного бизнеса. Основанием аппаратуры являлись ламповые электронные приборы, из-за этого аппаратура была очень громоздкой и устанавливалась только в автомобилях. Но несмотря на это на видимые неудобства, количество пользователей мобильной связи стремительно росло. Это в свою очередь создало новую проблему. Радиостанции, работающие на близких по частоте каналах, создавали помехи друг другу. Это значительно ухудшало качество связи. Для массового внедрения требовалось решить эту проблему.

В 1947 году был изобретен транзистор, заменивший электронные лампы, и обладающий значительно меньшими размерами. Это оказало огромное значение для дальнейшего развития радиотелефонной связи и создало предпосылки широкого внедрения мобильного телефона. Но снизить влияние взаимных помех можно было только изменив принцип организации связи.

В 40-е годы прошлого века, благодаря исследованию ультракоротковолнового диапазона волн, удалось установить его основное преимущество над короткими волнами - широкодиапазонность. Но имелся и серьезный недостаток - сильное поглощение радиоволн средой распространения. Ультракороткие радиоволны не способны огибать земную поверхность, поэтому связь обеспечивалась только на линии прямой видимости, и даже при мощном передатчик дальность связи достигала лишь 40 км. Именно этот недостаток в 1947 году использовал сотрудник американской компании Bell Laboratories Д. Ринг. Он предложил новую идею организации связи. Она заключалась в разделении пространства на небольшие участки - соты радиусом 1-5 километров и в отделении радиосвязи в пределах одной ячейки от связи между ячейками. Повторение частот позволило разрешить проблему использования частотного ресурса. Это позволяло использовать одни и те же частоты в разных сотах распределенных в пространстве. Эта конструкция выглядела так: в центре отдельной ячейки располагалась базовая приемно-передающая радиостанция, которая обеспечивала радиосвязь в пределах ячейки со всеми абонентами. Размеры соты определялись максимальной дальностью связи радиотелефонного аппарата с базовой станцией. Максимальный радиус получил название радиуса соты. Во время разговора сотовый радиотелефон соединяется с базовой станцией радиоканалом, по которому передается телефонный разговор. Абоненты связываются между собой через базовые станции, которые соединены друг с другом и с городской телефонной сетью общего пользования.

Для обеспечения бесперебойной связи при переходе абонента от одной зоны к другой потребовалось применение компьютерного контроля за телефонным сигналом, излучаемым абонентом. Именно компьютерный контроль позволил в течение всего лишь тысячной доли секунды переключать мобильный телефон с одного промежуточного передатчика на другой. Таким образом, центральной частью системы мобильной связи являются компьютеры, которые отыскивают абонента, находящегося в любой из сот, и подключают его к телефонной сети. Практическое применение сотовой связи стало возможным только после изобретения микропроцессоров и интегральных полупроводниковых микросхем, т.к. компьютерная техника была еще на таком уровне, что ее коммерческое применение в системах телефонной связи было затруднено.

Первый сотовый телефонный аппарат прототип современного аппарата сконструировал Мартин Купер (фирма Motorola, США) в 1973 году.

В 1983 году в Чикаго была запущена в работу сеть стандарта AMPS (Advanced Mobile Phone Service), который был разработан фирмой Bell Laboratories. В 1985 г., в Англии, был принят стандарт TACS (Total Access Communications System), являвшийся разновидностью американского AMPS. Через два года, из-за резко возросшего числа абонентов, был принят стандарт HTACS (Enhanced TACS), добавивший новые частоты и частично исправивший недостатки предшественника. Франция же стояла отдельно от всех и начала использовать собственный стандарт Radiocom-2000 с 1985 года. Следующим стал стандарт NMT-900, использующий частоты 900 МГц диапазона. Новая версия стала применяться в 1986 году. Она позволила увеличить число абонентов и улучшить стабильность системы. К концу 1980-х годов началось создание второго поколения систем сотовой связи, основанных на базе цифровых методов обработки сигналов.

В 1982 году Европейская Конференция Администраций Почт и Электросвязи (СЕРТ) создала группу под названием Groupe Special Mobile, целью которой была разработка единого европейского стандарта цифровой сотовой связи. Но только лишь через восемь лет были предложены спецификации стандарта. Просчитав перспективы развития сотовой связи в Европе и во всем мире, было принято решение выделить для нового стандарта и диапазон 1800 МГц. Этот стандарт получил название GSM - Global System for Mobile Communications. GSM 1800 МГц также носит название DCS-1800 (Digital Cellular System 1800). Стандарт GSM является цифровым стандартом сотовой связи. В нём реализовано временное разделение каналов (TDMA - множественный доступ с разделением по времени, шифрование сообщений, блочное кодирование, а также модуляция GMSK) (Gaussian Minimum Shift Keying). В конце 90-х годов из-за развития Интернета многие пользователи сотовой связи захотели использовать свои телефоны как модемы, а существующих скоростей для этого было недостаточно. Чтобы поспеть за спросом своих клиентов в доступе к сети Интернет, инженеры изобретают WAP-протокол. WAP - это сокращенное название от Wireless Application Protocol, что переводится как протокол беспроводного доступа к приложениям. В принципе WAP - это упрощенная версия стандартного Интернет протокола HTTP, адаптированная под ограниченные ресурсы мобильных телефонов. Но этот протокол не дает возможность просматривать стандартные Интернет - страницы, они должны быть написаны на языке WML. Поэтому абоненты сотовых сетей получили весьма ограниченный доступ к Интернет-ресурсам. Еще одно неудобство состояло в том, что для доступа к WAP-сайтам использовался тот же канал связи, что и для передачи голоса, то есть пока вы загружаете или просматриваете страничку, канал связи занят, и с лицевого счета списываются те же деньги, что и во время разговора.

Производителям оборудования сотовой связи срочно пришлось искать способы увеличения скорости передачи данных. В результате этих изысканий на свет появилась технология HSCSD (High-Speed Circuit Switched Data), обеспечивающая скорость - до 43 килобит в секунду. С появлением GPRS вновь стали использовать WAP-протокол, так как доступ к небольшим по объему WAP-страницам становится во много раз дешевле, чем во времена CSD и HSCSD. Теперь многие операторы связи за небольшую ежемесячную абонентскую плату предоставляют неограниченный доступ к WAP-ресурсамсети.

С появлением GPRS сети сотовой связи перестали именоваться сетями второго поколения - 2G. Так произошло слияние сотового телефона, компьютера и сети Интернет. Разработчики и операторы предлагают нам все больше новых дополнительных услуг. Используя возможности GPRS, был создан новый формат передачи сообщений, который был назван MMS (Multimedia Messaging Service - Сервис Мультимедийных Сообщений). Он позволяет отправлять с сотового телефона не только текст, но и различную мультимедиа информацию, например, звукозаписи, фотографии и даже видеоклипы. Причем MMS-сообщение может быть передано как на другой телефон, поддерживающий этот формат, так и на электронную почту. С увеличением мощности процессоров телефонов, появляется возможность загружать и запускать на нем различные программы. Основным языком для их написания является язык Java2ME. Владельцам большинства современных телефонов теперь не составляет труда подключиться к сайту разработчиков Java2ME приложений и закачать на свой телефон, например, новую игру или другую необходимую программу. Также никого не удивит возможность подключения телефона к персональному компьютеру, для того чтобы, используя специальное программное обеспечение, чаще всего поставляемое вместе с трубкой, сохранить или отредактировать на ПК адресную книгу или органайзер; находясь в дороге, используя связку мобильный телефон + ноутбук, выйти в полноценный Интернет и просмотреть свою электронную почту. Однако наши потребности постоянно растут, объем передаваемой информации растет практически ежедневно. И все больше требований выдвигается к сотовым телефонам, вследствие чего ресурсов нынешних технологий становится недостаточно для удовлетворения наших возрастающих запросов.

Именно для решения этих запросов и предназначены, достаточно недавно созданные сети третьего поколения 3G, в которых передача данных доминирует над голосовыми услугами.3G - это не стандарт связи, а общее название всех высокоскоростных сетей сотовой связи, которые вырастут и уже вырастают из ныне существующих. Огромные скорости передачи данных позволяют передавать прямо на телефон высококачественное видеоизображение, осуществлять постоянное соединение с Интернет и локальными сетями. Применение новых, усовершенствованных, систем защиты позволяет уже сегодня использовать телефон для проведения различных финансовых операций - мобильный телефон вполне способен заменить кредитную карту.

Вполне естественно, что сети третьего поколения не станут финальным этапом развития сотовой связи - как говориться, прогресс неумолим. Ныне проходящая интеграция различных видов связи (сотовой, спутниковой, телевизионной и т.д.), появление гибридных устройств, включающих в себя сотовый телефон, КПК, видеокамеру, безусловно, приведет к появлению сетей 4G, 5G. И о том, чем закончится это эволюционное развитие, сегодня вряд ли смогут рассказать даже писатели-фантасты.

На мировом уровне сейчас используется около 2 миллиардов единиц мобильных телефонов, из них больше двух третей подключены к стандарту GSM. Вторым по популярности идёт CDMA, остальные же представляют специфические стандарты, применяемые в основном в Азии. Сейчас в развитых странах сложилась ситуация "пресыщения", когда спрос перестаёт расти.