Перші мережі телефонного зв’язку складались – з точки зору лінійних споруд – лише з абонентських ліній (АЛ). Ці АЛ під’єднувалися до ручних комутаторів, оператори яких здійснювали з’єднання між абонентами.
Перші АЛ були створені на базі повітряних ліній зв’язку. Підземний телефонний кабель був вперше прокладений в Росії в 1885 році при будівництві Нижньогородської телефонної мережі. Довжина десятижильного кабелю складала близько одного кілометра.
Із розвитком телефонних мереж підвищувалася довжина АЛ. Виникла проблема підвищення дальності зв’язку. Англійський учений О. Хевісайд в 1893 році сформулював умови мінімуму енергетичних втрат сигналу, який передається лініями зв’язку. Шуканий мінімум досягався за рахунок підбору чотирьох основних параметрів кабельних пар: активного опору жил (R), індуктивності (L), ємності (С) і провідності ізоляції (G). Простіше всього – з практичної точки зору – змінювати індуктивність.
У 1900 році були розроблені два методи підвищення індуктивності кабельних пар – пупінізація і крарупізація. Перший метод, запропонований М. Пупіним, ґрунтувався на під’єднанні до кабельних пар котушок індуктивності. Це дозволяло підвищити дальність зв’язку в три-п’ять разів, що відповідало дальності зв’язку (залежно від діаметра жил кабелю) від 10 до 100 км. Другий метод, розроблений К. Е. Крарупом, полягав у тому, що кабель обмотувався стрічкою, виготовленою з тонкого дроту, в один, два або три шари.
Обидва методи підвищення дальності зв’язку почали застосовуватися з 1902 року. Пупінізація ширше використовувалася в місцевих (міських і сільських) телефонних мережах. Крарупізація виявилася ефективнішою для кабелів, що прокладаються під водою. Це пояснюється тим, що такий кабель не містить потовщень, утворюваних при під’єднанні котушок Пупіна. Зворотна сторона підвищення індуктивності – утворення фільтра нижніх частот, який створює перешкоди для ущільнення кабельних пар. З цієї причини пупінізація і крарупізація незабаром перестали широко застосовуватися для підвищення дальності зв’язку.
Автоматизація міських телефонних станцій (МТС), початок якої покладено введенням в експлуатацію машинної станції 3 серпня 1926 року в Ростові-на-Дону, не привела до зміни принципів реалізації АЛ. Поступово відбувався процес переходу від повітряних до кабельних ліній. Істотно те, що однопроводові АЛ поступово замінювалися двопроводовими. Проте за даними на 1 січня 1928 року загальна довжина повітряних ліній зв’язку в МТС складала 14,3 тисячі кілометрів проти 2,3 тисяч км кабельних ліній (або 14 відсотків). Це співвідношення поступово змінювалось за рахунок збільшення частки кабельних ліній зв’язку. До 1945 року питома вага кабельних ліній в МТС (правда, за довжиною жил, а не за загальною довжиною) склала вже 94 відсотки.
У післявоєнні роки, практично у всіх містах, кабельну каналізацію стали будувати з використанням азбоцементних труб і збірних оглядових пристроїв. У великих містах знайшли застосування колектори, в яких розміщувалися всі споруди комунального господарства (кабелі зв’язку і енергосистеми, трубопроводи різного призначення і под.). Свинець, що використовувався раніше як оболонка кабелю, поступово замінюється синтетичними матеріалами. На довгих АЛ стали використовуватися підсилювачі мостового типу. Для задоволення заявок нових абонентів застосовується спарене під’єднання двох телефонних апаратів (ТА) до однієї АЛ.
Помітна зміна в принципах побудови мережі доступу відбулася при впровадженні першої підстанції (концентратора) ПС-МКС-100 в 1957 році. Пізніше була створена підстанція кількістю до 1000 номерів – ПСК-1000. Використання підстанцій приводить до скорочення середньої довжини АЛ. Це, у свою чергу, покращує якість передавання інформації, підвищує ефективність використання АЛ і забезпечує ряд переваг, істотних з точки зору еволюції телефонної мережі загального користування ТФМЗК.
Все зазначене вище відноситься, більшою мірою, до міських, а не сільських телефонних мереж (СТМ). Сільський зв’язок розвивався за дуже специфічними сценаріями. Таке положення було обумовлене двома основними чинниками:
Побудова абонентських мереж в сільській місцевості велася з широким використанням повітряних ліній зв’язку. Це не забезпечувало високої якості передавання мови і прийнятної надійності зв’язку. За даними за 1950 рік на 100 км повітряних ліній було зафіксовано 1,6 пошкоджень з середнім часом простою 6 годин.Цястатистика відноситься до всіх лінійних споруд, включаючи ділянку абонентського доступу.
Останні два десятиліття внесли свій внесок у розвиток абонентських мереж. Найістотнішими можна назвати: використання систем передавання, застосування концентраторів при встановленні цифрових комутаційних станцій і організацію доступу (для деяких груп абонентів) по радіоефіру.
Однією з перших систем передавання, розроблених для ущільнення АЛ, стала абонентська високочастотна установка (АВУ). Вона призначалася для створення одного додаткового каналу за рахунок ущільнення АЛ. АВУ складається з двох комплектів. Комплект, що розташовується на автоматичній телефонній станції (АТС), живиться від станційної батареї. Комплект, встановлюваний у абонента, живиться від мережі змінного струму 220/127 В або (для приміщень з підвищеною електробезпекою) 36 В. Обладнання АВУ використовує несучі частоти 28 кГц (від абонента до станції) і 64 кГц (від станції до абонента). Апаратура АВУ є одноканальною системою ущільнення. Це, за означенням, призводить до низьких техніко-економічних показників її застосування. З іншого боку, устаткування типу АВУ дуже ефективне при необхідності швидко створити одну додаткову АЛ.
Наступне покоління абонентських систем передавання відрізнялося двома важливими показниками: використання цифрових методів передавання сигналів і багатоканальність. Характерний приклад – цифрова система передавання з часовим розділенням каналів і дельта-модуляцією Д-АВУ. Ця апаратура дозволяє створити 10 АЛ по двох парах абонентського кабелю, устаткування Д-АВУ розраховане на під’єднання спеціалізованих ТА, що мають чотирипроводове закінчення. Живлення ТА здійснюється дистанційно, тобто роботоздатність Д-АВУ не залежить від стану мережі змінного струму. Область використання Д-АВУ істотно обмежується двома чинниками:
При розміщенні абонентського комплекту Д-АВУ в межах одного під’їзду або навіть в одному будинку, обмеження довжини лінії до 200 м не є дуже істотним. Інша ситуація складається з вимогами до однорідності кабелю.
Подальше застосування систем передавання в абонентській мережі здійснювалося в двох напрямах:
- використання стандартних цифрових систем передавання (ЦСП), розроблених для ущільнення пучків з’єднувальних ліній (ЗЛ) між комутаційними станціями;
- створення нових систем передавання, орієнтованих, в основному, на абонентську мережу.
Стандартні ЦСП широко використовуються у ряді країн для економічної організації абонентської мережі. Таке рішення пояснюється технічними і економічними перевагами, які властиві уніфікованому телекомунікаційному устаткуванню. Негативні наслідки від застосування спеціалізованих для абонентської мережі систем передавання пояснюються тим, що вони не уніфіковані зі стандартними ЦСП. Переваги, властиві спеціалізованим (для абонентської мережі) системам передавання, виявляються тоді, коли АТС є аналоговою комутаційною станцією. Для цифрових АТС під’єднання абонентів за допомогою спеціалізованих систем передавання і, особливо, технічна експлуатація мережі доступу становлять ряд дуже складних проблем.
Використання концентраторів (у будь-яких типах комутаційних станцій) дозволяє не тільки скоротити середню довжину АЛ, але і підвищити ефективність мережі абонентського доступу. Застосування систем передавання, тобто мультиплексорів, має на увазі створення індивідуальних АЛ. У цьому і полягає істотна відмінність між концентратором і мультиплексором:
Співвідношення цих величин залежить від ряду чинників. Максимально V і N можуть відрізнятися на один порядок. Це, на перший погляд, свідчить про переваги концентраторів перед мультиплексорами, які використовуються в абонентській мережі. Але подивимося на динаміку цін. Собівартість оптичного кабелю (ОК) і систем передавання постійно знижується. Це означає, що витрати на той варіант створення мережі абонентського доступу, який заснований на застосуванні мультиплексорів, поступово зменшуватимуться.
Можна вважати, що собівартість комутаційного устаткування визначає витрати на апаратні і програмні засоби. Тоді можна виділити два важливі процеси:
Це означає, що вибрати один з двох варіантів створення мережі абонентського доступу можна тільки при конкретному проектуванні.
Практична реалізація безпроводового (wireless) доступу стимулювала істотні зміни в принципах створення абонентських мереж. Особливо яскраво відповідні тенденції виявилися в сільському зв’язку.
Перейдемо до аналізу переваг і недоліків експлуатованих абонентських мереж, які є важливими з таких точок зору:
Під додатковими послугами, що надаються абонентам всіх типів АТС, розуміють такі види обслуговування, які інваріантні до типу комутаційного устаткування. Характерними прикладами додаткових послуг є:
Можливість надання додаткових послуг залежить від характеристик існуючої абонентської мережі. Але і самі ці послуги можуть помітно вплинути – не в кращу сторону – на характеристики АЛ. Постараємося проілюструвати таке твердження стосовно першого з наведених вище прикладів додаткових послуг, виділяючи якісь загальні закономірності.
Обмін дискретною інформацією (дані, факсимільні повідомлення, електронна пошта і под.) здійснюється, в наш час, переважно за рахунок ресурсів ТФМЗК. Дослідження якості передавання дискретної інформації показали, що деякі особливості ТФМЗК в цілому, і АЛ зокрема, можуть помітно впливати на основні характеристики обміну повідомленнями. У ряді випадків передавання дискретної інформації через ТФМЗК практично неможливе. Але до викладеного можна додати декілька міркувань, що стосуються абонентської мережі:
Для телефонії всі ці обставини не такі критичні, що обумовлено специфікою мови, яка характеризується великою надлишковістю. Ця обставина в сукупності з дуже досконалим пристроєм обробки мови (головний мозок) забезпечує дуже високу достовірність інформації, якою обмінюються абоненти ТФМЗК. На практиці іноді виникають ситуації, коли ні надлишковість мови, ні напруга голосових зв’язок і слухового апарата абонентів не забезпечують прийнятні характеристики телефонного з’єднання.
У свою чергу, сигнали від модемів, що працюють в смузі каналу тональної частоти (ТЧ), можуть створювати відчутні перешкоди в інших каналах ТЧ при зниженому перехідному згасанні. Окрім цих недоліків абонентської мережі існують і деякі переваги, що є дуже важливими для надання додаткових послуг. По-перше, середня довжина АЛ в вітчизняній ТФМЗК коротша за аналогічну величину для телефонних мереж інших країн. По-друге, використання різних пристроїв і терміналів, що заважають роботі модемів, поки не набуло значного поширення. По-третє, процес модернізації ТФМЗК, що почався, побічно створює потрібні передумови для поліпшення характеристик якості передавання дискретної інформації.
Перейдемо до другої групи переваг і недоліків існуючої абонентської мережі, що виявляються на етапі впровадження цифрової комутаційної техніки і перспективних середовищ поширення сигналів. При модернізації телекомунікаційної системи з використанням ресурсів існуючих абонентських мереж дуже важливо брати до уваги:
Відомі два способи створення цифрових трактів – однокабельні і двокабельні. В цілому, двокабельний варіант перспективніший. Але на практиці достатньо часто виникають ситуації, коли реалізований може бути тільки однокабельний варіант. У такому разі необхідно відбирати фізичні пари, придатні для організація цифрового тракту. Відбір пар здійснюється за спеціальною методикою. Слід зазначити, що подібні задачі виникають і при створенні доступу користувачів ЦМІО (цифрова мережа інтегрального обслуговування) до комутаційної станції, а також у ряді інших випадків, що розглядаються нижче. На жаль, універсальних рекомендацій щодо можливості ущільнення абонентських кабелів не існує. Ця можливість визначається, в основному, реальними характеристиками експлуатованого кабелю. Не виключається ситуація, коли для створення цифрових трактів потрібне прокладання нового кабелю.
Використання існуючої каналізації для прокладання нових кабелів також (або в ще більшому ступені) може вважатися питанням конкретного проектування. Складні задачі виникають в двох випадках. Перша ситуація – прокладання нового кабелю в центральній частині міста. Друга ситуація – специфічні проблеми, що викликані зовнішніми діями (наслідки повеней, зсув каналізації через просідання ґрунту і под.).
До специфічних інтерфейсів, які не підтримуються цифровими комутаційними станціями, відносяться стики з системами передавання, які використовуються в абонентській мережі, і пристроями, що працюють поза смугою каналу ТЧ. Сучасні цифрові комутаційні станції розраховані на під’єднання двопроводових аналогових АЛ і лінійних трактів первинних ЦСП. Застосування абонентських ЦСП, відмінних від стандартного ряду систем ІКМ-30, ІКМ-120 і т. д., пов’язане:
Обидва рішення знижують надійність мережі абонентського доступу через під’єднання додаткових пристроїв. Більш того, застосування нестандартних систем передавання ставить дуже складні проблеми в частині технічної експлуатації устаткування, яке використовується в мережі абонентського доступу.
З систем, що функціонують поза смугою каналу ТЧ, слід, в першу чергу, виділити устаткування охоронної сигналізації. Передавання відповідної інформації здійснюється або постійним струмом, або на частоті 18 кГц. Виділення сигналів, що відносяться до системи охоронної сигналізації, здійснюється в кросовому устаткуванні комутаційних станцій. Уявімо цілком реальну ситуацію, коли електромеханічна АТС замінюється на цифрову комутаційну станцію, яка має ряд концентраторів, зв’язаних з нею за допомогою ОК. В цьому випадку існуючі системи охоронної сигналізації не працюватимуть з таких причин:
- оптичними волокнами в принципі не можуть передаватися сигнали постійного струму;
- всі абонентські комплекти (АК) концентратора містять смугові фільтри, що пропускають на вхід кодека тільки сигнали в смузі каналу ТЧ, що призводить до заглушення несучої частоти 18 кГц.
Отже, впровадження цифрових комутаційних станцій може призвести до того, що існуючі системи охоронної сигналізації не зможуть виконувати свої функції. Ймовірно, в найближчій перспективі може виникнути ряд нових задач.
Перейдемо до третьої групи переваг і недоліків АЛ нових мереж електрозв’язку, що виявляються на етапі створення. Розглядатимемо ці переваги і недоліки з точки зору мереж, в яких передаються широкосмугові сигнали. Характерними прикладами можуть вважатися кабельне телебачення, системи відеоконтролю і широкосмугова ЦМІО.
Подібні мережі поділяються – з точки зору їх пропускної здатності – на два класи. У англомовній літературі вводяться два відповідні словосполучення – „Wideband Network” і „Broadband Network”, які на українську мову частіше всього перекладаються однаково – „Широкосмугова мережа”. Чіткої межі між мережами „Wideband Network” і „Broadband Network” не існує. У більшості публікацій до мереж типу „Wideband Network” відносяться телекомунікаційні системи, що підтримують швидкість, вищу від ЦМІО (2,048 Мбіт/с для доступу на первинній швидкості), але нижчу за пропускну здатність каналу Н4, яка складає, приблизно, 140 Мбіт/с. Іноді як верхня межа фігурує номінал 34 Мбіт/с.
Можливість використовування існуючих АЛ для подібних мереж розглядається багатьма фахівцями як дуже важлива технічна задача. В результаті ряду досліджень були сформульовані концепції асиметричної цифрової АЛ – ADSL (Asymmetrical Digital Subscriber Line), високошвидкісної цифрової АЛ – HDSL (High-speed Digital Subscriber Line) і цифрової АЛ з дуже високою швидкістю передавання – VDSL (Very High-speed Digital Subscriber Line). Короткий виклад відповідних принципів створення цифрової АЛ міститься у раніше викладеному. У цьому розділі для нас істотне те, що йдеться про швидкості передавання по АЛ, які вимірюються одиницями або навіть десятками Мбіт/с.
При таких високих швидкостях передавання інформації особливого значення набувають експлуатаційні характеристики всіх елементів АЛ: фізичних кіл (у "своєму" і сусідніх кабелях), ввідно-комутаційних пристроїв (ВКП). Деякі фахівці виказували побоювання, що саме експлуатовані в наш час ВКП перешкоджатимуть підвищенню швидкості обміну інформацією на ділянці термінал – комутаційна станція.