План-конспект урока по теме Телефонные сети с точки зрения передачи данных

Этапы урока

Содержание этапов урока

1. Организационный момент.

Цели для преподавателя:

- создать условия для возникновения у обучающихся внутренней потребности включения в учебную деятельность;

- способствовать повышению мотивации учения.

Цели для обучающихся:

- включиться в учебную деятельность;

- подготовиться к восприятию нового учебного материала.

Цели этапа занятия достигаются посредством:

-объявления темы занятия и постановки общих целей;

- разъяснения роли изучаемого содержания в процессе формирования конкретных общих и профессиональных компетенций;

- раскрытия значения изучаемого содержания для будущей профессиональной деятельности;

1. Вводный инструктаж

1.1. Проверка наличия обучающихся. Повторение техники безопасности в кабинете информатики.

Начинаем занятие. Отметим отсутствующих на занятие и проверим вашу готовность к занятию на наличие тетрадей.

1.2. Целевая установка на урок.

Сегодня у нас новая тема «Используемые современные среды передачи данных в сетях: витая пара, коаксиальный кабель, оптоволокно и беспроводная среда. Физическая среда: характеристики, достоинства и недостатки», запишите тему занятия в тетрадях.

Обучающиеся записывают тему занятия.

Эта тема имеет большое профессиональное значение. Она направлена на формирование такой компетенции как «организовывать собственную деятельность выбирать типовые методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество».

2. Изучение нового учебного материала (способов действий).

Цели для преподавателя:

- познакомиться с понятием спутниковые системы передачи данных

- рассмотреть основные типы спутниковых систем

- рассмотреть особенности, достоинства и недостатки использования

Цели для обучающихся:

- познакомиться с понятием телефонная связь

- рассмотреть историю телефонной связи

- рассмотреть сети для организации доступа к ЭВМ: X.25, семейство xDSL, ISDN и ATM

Цели этапа занятия достигаются посредством:

- обеспечения понимания планируемого результата деятельности, основных путей его достижения;

- определения критериев, позволяющих обучающимся самостоятельно определять степень достижения запланированного результата;

- организации активной самостоятельной деятельности обучающихся по написанию лекции во время занятия.

2. Теоретическая часть.

Структура телефонной сети.

Структура современной телефонной сети весьма избыточная и многоуровневая. На рисунке 2-31 показана структура телефонной сети России. На этом рисунке используются следующие обозначения: АКТС - автоматическая коммутируемая телефонная сеть; ТФОП - телефоны общего пользования.
Если мы посмотрим на структуру телефонного номера на рисунке 2-32, то увидим четыре компонента: код страны, код региона в стране, затем код района или города в регионе и только потом номер абонента. В отдельных случаях крупным городам, например таким, как Москва, Санкт-Петербург присваивается код, как отдельному региону. В этом случае k1k2k3 - это код района в таком крупном городе.
Рисунок 2-31. Телефонная сеть России



Рисунок 2-32. Структура телефонного номера

Каждый абонент соединен двумя витыми парами с ближайшей местной телефонной станцией (ТС), это соединение называют локальным соединением, абонентской линией или последней милей. В России протяженность локального соединения колеблется от сотен метров до 6-8 км. В городе оно короче, в сельской местности длиннее.
Местная ТС соединена в крупных городах с районной ТС либо городской ТС. Районные и городские ТС соединены с региональными или междугородными ТС, и т.д. в соответствии со структурой телефонного номера, изображенной на рисунке 2-32.
Если абонент звонит другому абоненту, который подключен к той же местной ТС, что и звонящий, то коммутаторы этой ТС соединяют абонентов напрямую. Каждая местная ТС соединена с ТС следующего уровня: районными или городскими ТС и междугородними ТС. Если абонент звонит абоненту, телефон которого подключен к другой местной ТС, то местная ТС звонящего соединяется с надлежащей ТС вышележащего уровня, которая устанавливает соединение с местной ТС, того кому звонят. В результате  создается прямое соединение между абонентами. ТС соединяются между собой магистральными линиями.
В дальнейшем телефонные станции любого уровня мы будем просто называть узлами коммутации. Соединения между узлами коммутации должны обладать большой пропускной способностью, чтобы по ним можно было передавать одновременно несколько разговоров. Пропускная способность местной линии должна быть достаточной для одного телефонного разговора. Для абонентских линий чаще всего применяли и применяют витую пару. Для магистралей между узлами коммутации используют коаксиальные кабели, оптоволокно и радиорелейные линии на микроволнах.
В прошлом телефонная система на всех уровнях была аналоговая, т.е. по проводам передавали колебания по напряжению в соответствии с акустическими колебаниями, принимаемыми на мембране микрофона. С появлением цифровых методов передачи аналоговая техника стала вытесняться, и на сегодня аналоговыми остались только абонентские линии.
Итак, современная телефонная сеть состоит из:

• абонентской линии - локального соединения или последней мили (соединение «клиент - местная ТС»)

• станций коммутации (ТС)

• магистралей - оптоволоконных или микроволновых (соединение ТС-ТС)

Проблема «последней мили».

По мере развития сетевых услуг - информационное обслуживание, образование, видео по заказу и т.д. - росла потребность доступа в сеть среди индивидуальных абонентов. Пропускной способности 3 КГц обычной телефонной абонентской линии стало недостаточно. Возникла проблема, как обеспечить частные квартиры и дома линиями связи надлежащей пропускной способности, - так называемая «проблема последней мили».
Работы по решению этой проблемы велись в 4-х направлениях. Первое направление, достаточно «прямолинейное», было связано с подведением оптоволокна прямо в квартиру. Это направление называется FTTH (Fiber To The Home). Такое решение обеспечивало огромную пропускную способность, какую вряд ли индивидуальный пользователь сможет в полной мере использовать в ближайшее время. Стоимость его была под стать пропускной способности. Поэтому это решение имело смысл для крупных фирм, а не индивидуальных абонентов.

Второе направление было связано со стремлением сократить длину локального соединения до минимума. По имеющимся данным, в городских телефонных сетях России средняя длина абонентской линии составляет 1280 м (коэффициент вариации 0.59), ни одна абонентская линия ни в городе, ни в сельской местности не превышает 5 км. Было предложено подтянуть оптоволокно от местного узла коммутации до опорного шкафа развязки внутри микрорайона, а далее возможны были два варианта. От опорного шкафа использовать обычную витую пару с технологией HDSL из семейства xDSL, либо использовать коаксиальные кабели сети кабельного телевидения (это решение получило название Hybrid Fiber Coac – HFC).
Коаксиальный кабель в сочетании с оптоволокном обеспечивает одновременную передачу 40-50 аналоговых каналов, в том числе радиовещание, телевизионные передачи, телетекст. При использовании ADSL – асимметричной DSL-технологии (о которой речь пойдет чуть ниже), обеспечивающей интерактивность, добавляются видео по заказу, игры, доступ в Интернет.
Третий вариант решения – это использовать беспроводные технологии (WLL – Wireless Local Loop). Доступный для них диапазон частот сильно ограничен международными соглашениями. Скорости передачи данных уступают проводным технологиям.
Четвертый вариант решения – это использовать стандарты серии xDSL.
В таблице 2-39 собраны краткие характеристики этих 4-х направлений решения проблемы последней мили.
Таблица 2-39. Технологии организации последней мили

Технологии xDSL.

xDSL – это семейство технологий, предназначенных для организации цифровых абонентских линий – DSL (Digital Subscriber Line) – с использованием в качестве среды передачи медных витых пар существующих локальных соединений телефонных кабельных систем. На современном этапе развития семейство xDSL включает следующие технологии:

• DSL

• IDSL

• HDSL, SDSL

• ADSL, RADSL, UADSL

• VDSL

Это весьма важное направление развития физических линий связи, поэтому мы хотя бы кратко опишем каждую из технологий этого семейства.
Родившееся как технология цифровых каналов в ISDN-сетях, семейство технологий xDSL получило развитие в новой сфере – абонентский доступ в Интернет.
По аналогии с модемами для работы по физической линии, модемы xDSL не ограничиваются для передачи информации спектром канала телефонных частот. Они используют всю полосу пропускания витой пары. Широкая полоса сигнала, используемого в этом семействе технологий, не позволяет работать по коммутируемым телефонным линиям (телефонные коммутаторы не рассчитаны на такой  спектр частот). Поэтому xDSL-модемы могут работать только на участке телефонных кабельных систем между абонентом и сетью поставщика услуг или между двумя абонентами при непосредственном соединении их абонентских линий (без участия станции коммутации). Это так называемые выделенные линии.
Отличительной чертой семейства xDSL, по сравнению с модемами для физических линий, является использование спектра частот, не пересекающегося со спектром канала телефонных частот, благодаря чему по абонентской линии можно вести телефонные переговоры одновременно с передачей цифровой информации.
Технология DSL – «цифровая абонентская линия» – позволяет использовать существующие линии связи для передачи цифровой информации по одной витой паре со скоростью до 160 кбит/сек. (при этом в прямом и обратном направлении поддерживается одинаковая скорость). Реализация в оборудовании DSL-интерфейса ISDN BRI получила название IDSL. В оборудовании IDSL не предусматривается поддержка аналоговой телефонной линии, так как телефонная связь может осуществляться по цифровым каналам ISDN. Сейчас существуют модификации оборудования DSL – Fast DSL, передающие информацию со скоростью до 256 кбит/сек.
Технология DSL поддерживает аналоговую телефонную линию. Стандартный метод линейного кодирования – 2В1Q применяется практически во всех типах оборудования xDSL, за исключением оборудования подсемейств ADSL и VDSL. Максимальное расстояние (то есть максимальная длина двухпроводной линии, на которой может работать аппаратура) для этой технологии составляет 7,5 км при диаметре жилы кабеля 0,5 мм, что вполне покрывает длину абонентских линий в России.
Дальнейшим развитием DSL стала технология высокоскоростной цифровой абонентской линии HDSL (High-data-rate DSL). Оборудование HDSL обеспечивает дуплексный (симметричный) обмен на скорости 768 или 1024 кбит/с по одной витой паре и 2048 кбит/с по двум – трем витым парам. Система является однокабельной: по каждой паре проводов осуществляется и прием, и передача информации. Неисправность в одной паре кабеля не приводит к прекращению передачи, а только уменьшает ее скорость. Максимальная удаленность между репитерами (промежуточными усилителями) не более 3 км. Поэтому применение этой технологии в России требует в среднем использовать один репитер на каждую абонентскую линию. Стандартная ширина сигнала, используемого при передаче, - 80–196 кГц.
Оборудование HDSL в основном предназначено для применения в корпоративных сетях. Отсутствие поддержки аналоговой телефонной линии компенсируется возможностью передачи речи в цифровом виде через интерфейсы Е1.
SDSL (Single Line DSL) – разновидность технологии HDSL. Системы SDSL обеспечивают дуплексную передачу потока на скорости 2048 кбит/сек. по одной витой паре проводов на расстояние 3–4 км при диаметре жилы кабеля 0,4–0,5 мм. Сейчас не делают существенного различия между технологиями HDSL и SDSL и выпускают оборудование HDSL, передающее информацию как по нескольким, так и по одной паре проводов. Также иногда название SDSL расшифровывают как Symmetric DSL, подчеркивая тем самым симметричность потоков информации.
Технология VDSL (Very High-data-rate DSL) находится в стадии разработки. Ожидается, что с ее помощью будет достигнута скорость передачи по абонентской линии от 12 до 51 Мбит/с. Наряду с медным кабелем, рассматривается возможность использования оптического кабеля. Оборудование VDSL может функционировать в режиме как асимметричных, так и симметричных цифровых потоков. Метод кодирования – DМТ. Дискретное многочастотное кодирование (DMT – Discrete Multitone) предполагает разбиение всей полосы пропускания на подполосы по 4 КГц и в каждой подполосе использовать свою несущую. Метод кодирования в подполосе – квадратичная амплитудная модуляция (QAM).
Существующие образцы аппаратуры VDSL обеспечивают организацию канала связи при максимальных скоростях передачи на расстоянии не более 1,5 км. Применение оптического кабеля позволит значительно увеличить дальность связи, но потребует замены существующих медных абонентских кабелей. Предполагаемое разделение полосы частот таково:

• Голосовой телефонный сервис: 0-4 КГц

• ISDN: 4-80 КГц

• Исходящий поток: 300-700 КГц

• Входящий поток: 1 МГц

Асимметричная DSL (Asymmetric DSL) – дальнейшее развитие технологии HDSL – в настоящее время является наиболее продвинутой в семействе хDSL. Она обеспечивает передачу по витой паре потоков до 9 Мбит/с в одном направлении (как правило, в сторону пользователя) и до 640 кбит/с – в другом. По широкому входящему каналу абонент получает данные или видео из Интернета, а исходящий используется для отправки запросов на получение информации. Следует отметить, что пропускной способности исходящего канала достаточно для передачи электронной почты, файлов и для проведения голосовых переговоров через Интернет. ADSL ориентирована на абонентов индивидуального сектора и, благодаря применению внутренних или внешних речевых разделителей, позволяет вести обычные телефонные переговоры.
Указанные выше предельные скорости передачи в прямом и обратном направлении могут быть снижены в зависимости от конкретного типа оборудования, кабеля и протяженности абонентской линии. Оборудование ADSL способно автоматически или принудительно настраиваться так, чтобы на конкретной абонентской линии достичь максимальной скорости передачи с минимальным коэффициентом ошибок.
В ADSL используют усовершенствованный вариант частотной модуляции, позволяющей максимально использовать полосу в 1 МГц, обеспечиваемую витой парой. Максимальное расстояние передачи без повторителей 5.5 км.
Разновидностью ADSL-технологии является технология RADSL (Rate-adaptive DSL), которая может функционировать в асимметричном режиме как ADSL и в симметричном – как HDSL. Технология RADSL позволяет отслеживать текущее состояние кабеля (электрические параметры и уровень шума (помех)) и динамически регулировать пропускную способность каналов связи, а также поддерживать максимально возможную степень передачи при требуемом минимальном уровне ошибок в канале связи.
Существует вариант технологии ADSL, называемый UADSL (Universal ADSL). Эта версия является упрощенным вариантом цифрового доступа и потому более дешева. Она ориентирована на индивидуальных абонентов. Максимальные скорости обмена в ней снижены до 1,5/0,384 Мбит/сек. и упрощена настройка. При скорости 1,5 Мбит/сек. невозможно получать передачи кабельного ТВ, как в ADSL, но этого вполне достаточно для доступа абонента в Интернет.

4. Задание на дом.

Цели для преподавателя:

- провести анализ и оценку успешности достижения цели урока, перспектив последующей работы;

- мобилизовать обучающихся на рефлексию результатов учебной деятельности;

- поставить цели самостоятельной работы для обучающихся (что должны сделать обучающиеся в ходе выполнения домашнего задания).

Цели для обучающихся:

- уяснить цели и содержание домашнего задания.

Цели этапа урока достигаются посредством:

- достижения открытости обучающихся в осмыслении своих действий и самооценки;

- определения для обучающихся содержания и объема домашнего задания.

4.Заключительная часть. Подведение итогов, выставление отметок.

Сегодня мы с вами: познакомились с понятием телефонная связь, рассмотрели историю телефонной связи и сети для организации доступа к ЭВМ: X.25, семейство xDSL, ISDN и ATM

4.1. Определение задания на дом.

Задание. К следующему занятию выучите лекцию.