Голосовая связь по цифровым абонентским линиям

Сначала по линиям DSL была реализована передача данных, но не за горами и массовое использование каналов DSL для голосовой связи

Введение

Новые возможности для провайдеров

CLEC сосредоточивают внимание на малых предприятиях

   Архитектура сети

   Применение

ILEC-операторы: оптимизация оборудования абонентских линий

Эволюция до уровня полностью цифровых линий

К сетям следующего поколения

Заключение

Введение

Ключевым фактором успешной реализации систем доступа к асимметричным цифровым абонентским линиям (Asymmetric Digital Subscriber Line, ADSL) стала возможность наложения передачи данных на существующую голосовую связь без вмешательства в последнюю. Для пользователя это означает следующие удобства:

• постоянно включенная связь — не нужно набирать номер телефона, поскольку соединение IP (Internet Protocol) всегда наготове, отражая модель офисной сети, в которой сетевые ресурсы все время доступны;
• виртуальная вторая голосовая линия — в отличие от связи через модем здесь голосовая линия остается доступной для входящих и выходящих вызовов.

Что касается оператора, то наложение позволяет устанавливать ADSL по всей сети, независимо от типов расположенных там узкополосных коммутаторов. Вообще говоря, ADSL работает даже с электромеханическими голосовыми коммутаторами.

После первого успеха ADSL стало ясно, что эта система может быть использована для организации сразу нескольких телефонных линий в одной точке с широким диапазоном услуг (например, виртуальная частная сеть — Virtual Private Networks, VPN), ориентированных на определенные участки рынка. Это стало возможным благодаря широкой полосе пропускания ADSL, вследствие прогресса в области компрессии речевого сигнала, устранения эха, а также вследствие применения технологий обработки цифрового сигнала и полупроводниковых технологий в целом. Действительно, ADSL предлагает широкую полосу пропускания данных, часть которой может быть использована для организации дополнительного канала речевой связи, объединенного с передачей данных. Технологии симметричных цифровых абонентских линий (Symmetric Digital Subscriber Line, DSL), такие как однопарная высокоскоростная цифровая абонентская линия (Single pair High speed Digital Subscriber Line, SHDSL), не могут быть реализованы наложением на существующую аналоговую телефонную линию, поэтому передача речевого сигнала и данных с помощью одной линии требует передачи речевого сигнала непосредственно по каналу DSL. Методы совместной передачи речевого сигнала и цифровых данных через DSL — будь то ADSL или SHDSL — называются Voice over DSL (VoDSL). Но это не просто технология, а реально предлагаемая провайдером услуга с очень привлекательными возможностями для бизнеса. В связи с VoDSL для провайдера представляют интерес два основных сегмента рынка.

Первый — это мелкие и средние предприятия, которые нуждаются в передаче и приеме данных со скоростью примерно 500 Кбит/с. Потребности в речевой связи таких клиентов обычно удовлетворяются с помощью 4-12 выходных телефонных линий. С помощью простого речевого кода, например Adaptive Differential Pulse Code Modulation (ADPCM), в часы пик эти линии используют всего от 128 до 256 Кбит/с пропускной способности ADSL, что обычно составляет 2 Мбит/с на базовой частоте и свыше 500 Кбит/с — на наложенной.

Вторым сектором рынка, перспективным для продвижения услуг VoDSL, являются жилые районы, обитатели которых по достоинству оценят дополнительные 2-4 линии голосовой связи, предлагаемые VoDSL. Некоторые местные операторы (Incumbent Local Exchange Carriers, ILEC) планируют сэкономить на медных двухпроводных линиях посредством внедрения технологии VoDSL. Любой потребитель сочтет вторую линию очень удобной, если у него есть компьютер и ADSL. С помощью компьютера, подключенного к ADSL, вторую голосовую линию можно использовать, например, для соединения с корпоративной частной телефонной станцией (Private Branch Exchange, PBX), а канал передачи данных — с корпоративной локальной сетью (Local Area Network, LAN).

В перспективе (года через два) ADSL сможет работать без наложения на существующий канал речевой связи: все голосовые сигналы будут передаваться внутри диапазона, как и данные. Такой полностью цифровой контур (Full Digital Loop, FDL) представляется очень удобным для массового внедрения на уровне домашних пользователей, поскольку предлагает доступный каждому чистый канал с высокой пропускной способностью. FDL сделает ненужными дорогие громоздкие разветвители старой доброй телефонной сети (Plain Old Telephone Service, POTS), поможет достичь высокой плотности ADSL в центральной телефонной станции и даст оператору существенную экономию расходов на владение.

Новые возможности для провайдеров

ADSL открывает поставщикам услуг широкие возможности для повышения доходов и сокращения расходов.

Внедрение технологии VoDSL будет выгодно и всем местным операторам — ILEC и национальным телефонным компаниям, и конкурирующим местным телефонным станциям (Competitive Local Exchange Carriers, CLEC), и новым операторам. У каждого оператора появятся собственные приоритеты в применении этой технологии, будут создаваться различные архитектуры сети. Заметим, что и «внерегиональный» ILEC является разновидностью конкурирующего местного оператора.

Услуги VoDSL — залог успеха для всех типов операторов. С точки зрения пользователя к их достоинствам относятся:

• качество речевой связи на уровне коммутируемой интегрированной цифровой сети (Integrated Services Digital Network, ISDN);
• автоматизированное обеспечение связи (что резко сокращает время на добавление или изъятие услуг);
• объединенный набор услуг по обмену данными и по голосовой связи с возможностью «покупки всего в одном месте»;
• единый счет и общая администрация.

Гарантией успеха является единая услуга передачи данных и речевого сигнала с гибкой системой расценок. Чрезвычайно удобными стали установка линий речевой связи и прекращение обслуживания: теперь не нужно посылать техника в дом абонента. Новая линия может быть установлена в доме путем ввода необходимой информации в систему обеспечения связи, если только там имеется интегрированное устройство доступа (Integrated Access Device, IAD). Поскольку передача данных и речевого сигнала осуществляется через интегрированное передающее оборудование, поставщик услуг сможет сократить и производственные расходы, и расходы на его обслуживание. Можно также объединить администрацию, занимающуюся обменом данными и речевой связью. Простота установки в сочетании со снижением операционных и административных затрат и расходов на обслуживание оборудования позволит снизить тарифы для пользователей. Мало того, тарифы могут стимулировать обмен данными там, где выше потребность в речевой связи, и наоборот.

CLEC сосредоточивают внимание на малых предприятиях

Архитектура сети

На рис. 1 изображена модель сети конкурирующего местного оператора.

Интегрированное устройство доступа (IAD) в доме клиента обеспечивает интерфейс передачи данных (например, Ethernet) и несколько интерфейсов речевой связи (в частности, разъемы RJ11 стандартного аналогового интерфейса для обычной телефонной сети). Это устройство представляет собой точку разграничения сети: оно и прерывает DSL, и обеспечивает связь. IAD преобразует в сети аналоговые речевые сигналы пользователя в речевые сигналы, передаваемые через адаптационный слой асинхронного режима передачи (Asynchronous Transfer Mode Adaptation Layer, AAL-2/ATM), и наоборот.

Устройство IAD направляет сигнал в голосовой шлюз, чтобы показывать, где именно в потоках AAL-2/ATM присутствует голосовой вызов. Несущие речь потоки AAL-2/ATM объединяются с сигнализацией, управляющей речевыми потоками и другими данными АТМ, и передаются через линию DSL в сеть. Для обеспечения передачи голоса и данных CLEC-оператор размещает в центральной телефонной станции ILEC-оператора мультиплексоры доступа к DSL (DSL Access Multiplexers, DSLAM). Затем трафик идет в пункт присутствия CLEC-оператора. Виртуальные каналы речевого сигнала и данных разъединяются коммутатором данных — ATM-коммутатором. Далее управление данными обычно осуществляет широкополосный сервер удаленного доступа (Broadband Remote Access Server, BRAS). Речь подается на центральный голосовой шлюз, где речевые сигналы, передаваемые по каналу широкополосного доступа, преобразуются обратно в сигналы, передаваемые по существующим узкополосным интерфейсам.

Голосовой шлюз выполняет функции, необходимые для сопряжения посредством корректного формата с существующей голосовой сетью: прерывает потоки AAL-2/ATM, производит кодирование/декодирование и поддерживает сигнализацию в телефонной сети между домом клиента и центральной телефонной станцией. Основной его функцией является «посредничество» между стандартными интерфейсами существующей узкополосной голосовой сети и сетью VoDSL. Сначала шлюз извлекает речевой сигнал из каналов AAL-2/ATM, затем производит его обработку (декомпрессию, устранение эха). Вместе с тем он должен подать сигнал устройству IAD, которое используется для индикации наличия вызовов в голосовых интерфейсах. Наконец, шлюз предоставляет соответствующий узкополосный интерфейс и посылает сигнал в местный телефонный узел. В Европе, где действует стандарт ETSI (European Telecommunication Standards Institute), для этого используется протокол V5.2, а в Северной Америке в соответствии со стандартом ANSI (American National Standards Institute) — протокол GR-303, чтобы свести к минимуму количество необходимых местному телефонному узлу сопряжений, оба интерфейса обеспечивают концентрацию голосового трафика по запросу. Обычно степень концентрации для бизнес-абонентов составляет 4:1, то есть на один канал между шлюзом и местным телефонным узлом приходится четыре абонентских канала.

Применение

Желающие заняться услугами речевой связи CLEC сталкиваются с высокими первичными затратами на оборудование общественной коммутируемой телефонной сети (Public Switched Telephone Network, PSTN, то есть местного телефонного узла). Стоимость аренды каналов доступа у местных операторов тоже может быть высокой. CLEC-операторам выгоднее ориентироваться на предприятия со штатом не менее 50 человек: для таких клиентов один канал доступа обеспечивает до 12 голосовых линий, что дает приличный месячный доход. Доступ осуществляется обычно с помощью технологии TDM (Time Division Multiplex) через арендованную линию связи (например, каналы Е1 или Т1). Потребности указанных предприятий в голосовой связи и передаче данных вполне удовлетворяются посредством TDM. Предприятия, насчитывающие менее 50 сотрудников и использующие арендованные линии с частичной загрузкой, для CLEC-операторов малопривлекательны.

Благодаря появлению технологии DSL CLEC-операторам стало выгодно предоставлять малым предприятиям, а в некоторых случаях и домашним пользователям услуги связи с передачей только данных, поскольку спрос на такую связь продолжает расти. Здесь пользуются популярностью асинхронные DSL и ADSL. Так называемые data CLEC-операторы предлагают связь с передачей только данных.

Целесообразно предложить речевую связь по той же сетевой инфраструктуре, что и передача данных. При небольших дополнительных затратах полностью сохраняются средства, инвестированные в доступ к данным. В частности, малым предприятиям достаточно от 4 до 12 голосовых линий, которые можно присоединить к каналу ADSL с высокой пропускной способностью, оставив достаточно места для данных.

Период окупаемости необходимых дополнительных инвестиций в интегрированные устройства доступа и шлюз составляет менее 6 месяцев. Это выгодно, если ориентироваться на рынок мелких предприятий, поскольку количество клиентов на этом рынке в большинстве развитых стран в 5-10 раз больше, чем на рынке крупных предприятий.

В будущем CLEC-операторы станут использовать больше симметричных DSL-вариантов. Их более высокая пропускная способность позволяет поддерживать больше телефонных линий, оставляя достаточно места в симметричной полосе пропускания для обмена данными.

ILEC-операторы: оптимизация оборудования абонентских линий

На рис. 2 показана модель сети ILEC. Вследствие использования такой модели ILEC-оператор лучше, чем CLEC, приспособлен к рынку малых и домашних офисов (Small Office/House Office, SOHO), мелких предприятий, а также элитных жилых районов. По мере повышения спроса домашних абонентов на вторую (третью, четвертую) линию ILEC-оператор будет удовлетворять его. Отметим, что с недавних пор значительно вырос спрос на вторую линию — абоненты желают пользоваться телефоном и доступом в Интернет одновременно. ADSL позволяет сразу же удовлетворить эту потребность путем наложения телефонной связи. Ожидается дальнейший рост спроса на дополнительные линии, поскольку домашние дела все чаще требуют одновременного обращения к нескольким средствам связи.

Помимо предложения пакетных услуг ILEC-операторы заинтересованы и в экономии на количестве медных витых пар. VoDSL является идеальной альтернативой традиционным проводным системам с наращиванием (дополнительная цифровая линия), делая очень привлекательными для провайдера инвестиции в технологию DSL с целью предоставления абонентам дополнительной телефонной линии. В этом смысле VoDSL можно рассматривать как решение, «готовое для связи путем обмена данными». Если пользователь потребует более высокую скорость доступа к данным, оператор может быстро организовать это исключительно программными средствами. Указанный метод не только превосходит традиционные проводные системы, но и способствует снижению расходов провайдера, связанных с использованием запасных частей, обучением и т.д. VoDSL можно рассматривать и как альтернативу рынка абонентов SOHO и жилых районов: в одном канале с использованием медных проводов можно объединить несколько голосовых линий и линий передачи данных.

Цены — важный фактор успеха на этом рынке с высоким уровнем конкуренции. Alcatel считает, что вследствие интенсивного использования высококачественной интеграции в домашнем оборудовании клиента (Customer Premided Equipment, CPE) цены на услуги VoDSL должны лишь слегка превышать нынешние расценки на ISDN. При таких ценах спрос будет высоким, поскольку пользователям предлагается не только несколько голосовых линий, но и более высокая по сравнению с ISDN пропускная способность канала передачи данных.

Эволюция до уровня полностью цифровых линий

Как уже отмечалось выше, успех ADSL в значительной мере основан на использовании архитектуры наложения (рис. 3). В перспективе, однако, некоторые аспекты модели наложения потребуют усовершенствования. Главным ее недостатком является необходимость в разветвителе на каждом конце линии. Разветвители, установленные, в частности, на центральной телефонной станции, довольно дороги и вряд ли станут значительно дешевле, поскольку применяемые там компоненты (например, катушки и конденсаторы, требующие изоляции от высокого напряжения) не подчиняются закону Мура. Более того, из-за наличия разветвителя подключение каждого абонента требует подсоединения к DSLAM двух пар проводов: одна идет к конечному пользователю, вторая — к голосовому коммутатору. Поэтому с точки зрения концентрации DSLAM количество проводов становится «узким местом». Дело осложняет и то, что в некоторых странах требуется обеспечить возможность обхода разветвителей для тестирования линий.

Сейчас на главном коммутационном щите необходимо устанавливать по две перемычки для каждого абонента. FDL (Full Digital Loop) делает ненужными эти перемычки, позволяя подсоединять к главному коммутационному щиту большее число абонентов и способствуя тем самым более широкой реализации ADSL.

Для новых абонентов с узкополосным каналом, требующих комбинации голосовой связи и связи с передачей данных, а также для полевого применения может быть реализована улучшенная и менее дорогая модель с использованием интегрированной архитектуры (рис. 4). Эта новая модель значительно упрощает установку и сокращает количество необходимого оборудования.

В FDL-сценарии (см. рис. 4) все речевые сигналы передаются цифровым способом по DSL-каналу. Такая их внутриполосная передача имеет ряд достоинств, но требует некоторых изменений. Основное изменение касается собственно CPE. Таким образом, FDL CPE предлагает передачу речевых сигналов и данных по DSL-линии. Например, в жилом районе CPE может предлагать как Ethernet, так и два аналоговых интерфейса ближней связи по телефону. Если предоставление услуг речевой связи и обмена данными находится в комбинации с терминированием канала DSL, голосовой шлюз может иметь более высокую степень интеграции. Для домашних пользователей очень выгодной может быть установка интерфейсов, таких как HPNA (Home Phoneline Networking Alliance) или беспроводных (например, 802.11b). Пользователи на предприятиях выиграют от наличия большего количества портов речевой связи и предоставления услуг речевой связи через цифровые интерфейсы (например, высококачественный ISDN), объединенные с услугами передачи данных через Ethernet.

Второе изменение заключается в том, что теперь сеть DSL должна будет обеспечивать подачу на CPE резервного питания. Первоначальные исследования показали, что ограничение пропускной способности линии в случае аварий и сокращение и/или отмена подачи энергии для других функций (например, Ethernet) позволяют приводить в действие шлюз исключительно за счет энергии, вырабатываемой DSLAM.

К сетям следующего поколения

Перечисленные выше достоинства решения VoDSL подкрепляются сетевыми решениями, объединяющими голосовую связь и передачу данных как в сетях доступа, так и в центральном оборудовании. В рамках протокола VoIP (Voice over Internet Protocol) разработано несколько архитектур. Для обозначения этих архитектур используется термин Voice over Packet (VoP), так как их преимущества и наилучшие функции во многих случаях не зависят от того, как передаются речевой сигнал и данные в сетях временного доступа и постоянных — по ATM, IP-фреймами или IP поверх АТМ. На уровне передачи окончательная архитектура во многом определяется схемой, которую использует провайдер.

Архитектура VoDSL, известная также как LES (Loop Emulation Service), является первым шагом к сетевой архитектуре, построенной на принципах конвергенции данных и голосовых сигналов. Целью эволюции является сеть следующего поколения (Next Generation Network, NGN); рис. 5).

В сети следующего поколения голосовая связь управляется не телефонными станциями, а центральным сервером вызовов высокой емкости. Этот сервер контролирует шлюзы, выполняющие преобразование в формат Voice over Packet (VoIP; Voice over IP over X: VoATM: Voice over AAL1/AAL2 over ATM).

Различные виды архитектуры сети следующего поколения уже широко реализуются в сети центрального узла. Междугородные шлюзы обычно размещаются между местной телефонной станцией (class 5) и пакетной сетью (АТМ или IP). Затем транзитные телефонные станции заменяются более экономным оборудованием маршрутизации. Серверы вызовов централизуют управление, снижая операционные расходы, а компрессия речевого сигнала ведет к экономии пропускной способности, особенно на международных линиях и линиях дальней связи.

Начальный VoDSL-сценарий предполагает функционирование шлюза на (или в) CPE и точках доступа. Для взаимодействия с местной телефонной станцией используются существующие стандарты (например, GR-303 для стран с ANSI и V5.2 для стран с ETSI). Предпочтительны эти интерфейсы, поскольку на них могут концентрироваться вызовы. При этом традиционная телефонная служба остается частью местной телефонной станции, гарантируя прозрачность услуг телефонных компаний, которые работают уже давно. На определенном этапе развития шлюз V5/GR-303 будет обращаться к серверу вызовов, и голосовой трафик будет передаваться дальше по центральной пакетной сети.

Заключение

Телефонная связь через DSL открывает заманчивые перспективы как для существующих, так и для недавно образованных провайдеров. Сегодня пользователи ADSL могут получить одну или более цифровых линий голосовой связи поверх существующей аналоговой телефонной линии. В зависимости от запланированного уровня распространения ADSL (более 20%) и назначения сети (расширение сети, полевые пункты, жилые районы, деловой парк и т.д.) станет экономически выгодно создавать сети доступа только для передачи данных на основе исключительно ATM DSLAM (без функционирования DTM). При использовании такой архитектуры будут также предлагаться услуги только голосовой связи через DSL.

Марк Верхойен, Alcatel Carrier Internetworking Division

Alcatel Telecommunications Review, 4’2000

КомпьютерПресс 7'2001