Что такое PSTN и из чего она состоит

Вы набираете номер обычного городского телефона, и через несколько секунд у собеседника звонит аппарат. Между двумя телефонами нет одного длинного провода: вызов проходит по цепочке линий и станций, которую называют телефонной сетью общего пользования. Это первый урок подкурса. В нём мы назовём все части сети, проведём один вызов от аппарата до аппарата и посчитаем, сколько каналов он занимает. Подкурс опирается на курс telbasics, поэтому ссылки на его уроки будут встречаться часто.

Цель и что нужно знать

После урока вы сможете:

• расшифровать название PSTN (по-русски ТфОП) по буквам и объяснить, чем такая сеть отличается от частной;
• назвать части сети (телефонный аппарат, абонентскую линию, местную станцию, соединительные линии, транзитную станцию) и сказать, что делает каждая;
• проследить путь вызова между двумя городами и показать, где голос аналоговый, а где цифровой;
• посчитать, сколько потоков E1 нужно между двумя станциями для заданного числа одновременных разговоров;
• по жалобе абонента назвать часть пути, с которой стоит начать поиск неисправности.

Что нужно знать заранее: весь курс telbasics, особенно уроки 1, 3, 16, 25, 31 и 42. Из урока 1 — станция, абонент, оператор и число линий «каждый с каждым» n × (n − 1) / 2. Из урока 3 — вызов, три части сети (доступ, транспорт, ядро) и две плоскости: управление («договориться о соединении») и пользователь (сам голос). Из урока 16 — канал тональной частоты 300–3400 Гц. Из урока 25 — цифровой канал 64 кбит/с (DS0). Из урока 31 — поток E1: 32 таймслота, из них 30 голосовых. Из урока 42 — коммутация каналов: вызов занимает по одному каналу на каждой линии между станциями.

Задача из жизни

Утро в дежурной службе оператора, пришли три жалобы. Первая: в квартире 12 телефон молчит, а у соседей всё работает. Вторая: у всех абонентов одного района с восьми утра не работают телефоны. Третья: звонки внутри города проходят, а в Баку у многих абонентов слышны частые короткие гудки. Где искать неисправность в каждом случае? Ответить можно, только зная, из каких частей состоит путь вызова и кто к какой части подключён. Эту карту мы и построим.

Что такое PSTN

ТфОП — телефонная сеть общего пользования. По-английски — PSTN (public switched telephone network). В разговоре её называют «городской телефонной сетью» или «обычным телефоном», а услугу обычного аналогового телефона часто называют POTS (plain old telephone service, «старая добрая телефонная услуга»). Все эти слова относятся к одной и той же сети. Название PSTN читается по буквам:

Слова «общего пользования» — стандартные. Рекомендация ITU-T P.10/G.100 (п. 6.204) называет PSTN любую сеть, которая передаёт и коммутирует сигналы и чьи возможности доступны широкой публике, а не только определённой группе пользователей. Частная сеть, например станции одной компании, которые связывают только её офисы, под это определение не подпадает. Зато она может подключаться к PSTN через свою станцию: офисную станцию называют УАТС (подробно — урок 7).

💡 ТфОП — не вся электросвязь. Мобильная сеть и интернет — другие сети. С ними PSTN соединяется на стыках, и звонок с городского телефона на мобильный проходит через обе сети (курс telbasics, урок 3).

Из чего состоит PSTN: путь вызова

Возьмём вызов из первого урока telbasics: бабушка в Гяндже звонит по городскому номеру тёте в Баку. Номера пунктов ниже совпадают с номерами на схеме.

1. Аппарат и абонентская линия. Телефонный аппарат — самое привычное оконечное устройство (терминал): конец цепочки, где сигнал входит в сеть и выходит из неё. Он превращает голос в электрический сигнал и обратно (курс telbasics, урок 13). Оконечным устройством бывает и факс, и модем, и офисная станция УАТС, подключённая как «абонент». От аппарата к станции идёт абонентская линия — пара медных проводов. У каждого абонента она своя, поэтому линий столько же, сколько абонентов (курс telbasics, урок 1). Сигнал в ней аналоговый. Подробно — урок 3.
2. Местная станция. К ней сходятся линии абонентов района. Станция замечает, что абонент хочет позвонить, принимает набранный номер и решает, куда направить вызов. Если вызываемый подключён к этой же станции, она соединяет двух абонентов сама, и вызов не выходит за её пределы. На входе станции голос оцифровывается: 8000 отсчётов в секунду по 8 бит дают 64 кбит/с (курс telbasics, урок 25). Подробно — уроки 2 и 4.
3. Соединительная линия (по-английски trunk) — линия между двумя станциями. В отличие от абонентской, она общая для многих разговоров и цифровая. Чаще всего это поток E1 с 30 голосовыми каналами (курс telbasics, урок 31). Один вызов занимает на такой линии один канал (курс telbasics, урок 42).
4. Транзитная станция. Она соединяет станции между собой, а абонентов к ней не подключают. Вызов приходит по одной соединительной линии и уходит по другой — как поезд, который меняет путь на узловой станции. Зачем нужны такие станции — урок 2.
5. Вторая половина пути зеркальна: соединительная линия и местная станция города вызываемого. Она находит линию тёти, проверяет, свободна ли та, и подаёт вызов на её аппарат. Здесь цифровой голос снова становится аналоговым сигналом.
6. Абонентская линия и аппарат B. Тётя берёт трубку, и разговор идёт в обе стороны одновременно (дуплекс, курс telbasics, урок 1).

Синие точки на схеме — договорённость о вызове (плоскость управления), зелёные — голос (плоскость пользователя). Сначала станции договариваются, потом идёт разговор (курс telbasics, урок 3).

Разбор примера: вызов Гянджа — Баку

element                    what it does                        signal
phone A                    voice <-> electric signal           analog
subscriber line A          copper pair to the exchange         analog
local exchange 1 (Ganja)   takes the number, sets up the path  analog -> digital
trunk 1 (E1)               30 channels shared by many calls    digital
transit exchange           joins two exchanges                 digital
trunk 2 (E1)               30 channels shared by many calls    digital
local exchange 2 (Baku)    finds line B, rings phone B         digital -> analog
subscriber line B          copper pair from the exchange       analog
phone B                    electric signal <-> voice           analog

Построчно:

1. Аппарат A и линия A — аналоговая часть. Они принадлежат только абоненту A, поэтому общих ресурсов сети не занимают.
2. Гянджинская станция принимает номер, выбирает путь и превращает голос в числа.
3. По первой соединительной линии голос идёт цифровым, в одном из 30 каналов потока E1. Остальные 29 каналов в это время заняты другими разговорами или свободны.
4. Транзитная станция переставляет голос из канала первой линии в канал второй (курс telbasics, урок 41). Абонентов у неё нет.
5. Бакинская станция находит линию B и подаёт вызов. Когда тётя отвечает, голос превращается в ток для её аппарата.

Теперь посчитаем, сколько общих ресурсов занимает этот вызов:

exchanges on the path:  N = 3
trunks between them:    N - 1 = 2
channels held:          2   (one per trunk, used both ways)
speed held:             2 x 128 kbit/s = 256 kbit/s
subscriber lines:       not counted (they belong to the subscribers)

Формулу из курса telbasics (урок 42) мы применили к трём станциям: два канала по 2 × 64 = 128 kbit/s, всего 256 kbit/s. Вызов между двумя абонентами одной и той же местной станции занимает 0 каналов: станция соединяет их внутри себя.

Аналог на краях, цифра внутри

У обычного аналогового телефона голос идёт по абонентской линии в виде тока, который меняется вместе со звуком (курс telbasics, урок 13). Как только ток входит в местную станцию, его оцифровывают: канал рассчитан на полосу 300–3400 Гц, из него берут 8000 отсчётов в секунду, каждый кодируют 8 битами, и получается 64 кбит/с (курс telbasics, урок 25; рекомендация G.711). Дальше голос — это числа: каналы по 64 кбит/с укладываются в кадры E1, а кадры идут по соединительным линиям (курс telbasics, уроки 30 и 31). На станции вызываемого числа снова превращаются в ток, и он идёт по линии к аппарату B.

Почему так устроено? Цифровой сигнал можно восстанавливать на пути, поэтому шум не накапливается, и его легко уплотнять в потоки (курс telbasics, уроки 17 и 21). Для общих соединительных линий между станциями это выгодно. А аппарат и абонентская линия остаются аналоговыми, потому что у каждого абонента они свои, уже проложены, а сам аппарат прост и дёшев. Бывают и цифровые абонентские линии, но это отдельная тема.

💡 Запомните границы: от входа первой станции до выхода последней голос цифровой, а на самих абонентских линиях — аналоговый.

Операторы: одна сеть из многих

Станции и линии PSTN принадлежат операторам (курс telbasics, урок 1). В стране их несколько, и каждый строит свою сеть. Сети соединены между собой на стыках, обычно теми же потоками E1, поэтому абонент одного оператора может позвонить абоненту другого. «Общего пользования» значит не «одна компания», а «одна система номеров и стыков, открытая для всех». Подробно — урок 6.

Вот четыре вызова из обычной жизни:

• Вы звоните соседу, который подключён к той же станции. Вызов не выходит за её пределы, соединительные линии не занимаются.
• Вы звоните в другой город. Вызов идёт по соединительным линиям, возможно через транзитную станцию.
• Вы звоните с городского телефона на мобильный. Вызов выходит из PSTN на стык с мобильной сетью, а дальше его ведёт ядро мобильной сети (курс telbasics, урок 3).
• Сотрудник звонит из офиса в город. Его вызов идёт через УАТС, которая подключена к станции оператора как большой «абонент» (подробно — урок 7).

Разбор примера: сколько потоков E1 нужно

Между местной станцией района и транзитной станцией в час пик говорят до 190 человек одновременно. Сколько потоков E1 (линий E1) заказать?

simultaneous calls:        190
voice channels in one E1:  30   (TS0 and TS16 carry no voice)
E1 streams = ceil(190 / 30) = ceil(6.33) = 7
voice channels = 7 x 30 = 210, spare = 210 - 190 = 20

counting 32 per E1 gives ceil(190 / 32) = 6 E1:
6 x 30 = 180 voice channels -> 10 calls are blocked

Построчно:

1. В потоке E1 голосовых каналов 30, а не 32: TS0 и TS16 голоса не несут (курс telbasics, урок 31).
2. 190 / 30 = 6.33. Часть потока купить нельзя, поэтому округляем вверх: 7.
3. Семь потоков дают 7 × 30 = 210 каналов, запас 210 − 190 = 20.
4. Если ошибочно считать по 32, получится 6 потоков и всего 180 голосовых каналов: десять вызовов в час пик заблокируются (курс telbasics, урок 42).

Что вас ждёт в подкурсе

В подкурсе 70 уроков. Вот его карта простыми словами:

Что может сломаться и как это найти

Путь вызова — цепочка, и неисправность ищут по цепочке. Первый вопрос — сколько абонентов затронуто и куда не проходят вызовы (так же, как в курсе telbasics, урок 3). Схема ниже сопоставляет масштаб жалобы с частью пути.

⚠️ Частая ошибка — сразу винить «станцию»: на пути минимум две станции и две абонентские линии. Сначала выясните, сколько абонентов и какие направления затронуты, и только потом выбирайте часть пути для проверки.

Практика

1. Предскажите. Два абонента подключены к одной и той же местной станции. Сколько каналов соединительных линий занимает их вызов?
2. Проверьте. Вызов идёт через 4 станции: местную, две транзитные и ещё одну местную. Сколько линий между станциями, сколько каналов и какая скорость занята? Считайте по формуле из разбора: N − 1 каналов по 128 kbit/s.
3. Объясните. Почему на абонентской линии голос аналоговый, а между станциями цифровой? Назовите две причины.
4. Измените. В разборе примера в час пик стало 215 разговоров вместо 190. Сколько потоков E1 нужно? Сколько вызовов заблокируется, если по ошибке считать 32 канала на поток?
5. Сделайте сами (со звёздочкой ⭐). Между местной и транзитной станциями в час пик ожидается 250 одновременных разговоров. Сколько потоков E1 нужно и какой запас каналов? Что произойдёт, если оператор поставит на один поток меньше?

Самопроверка

Вопрос. Назовите по порядку элементы пути вызова между абонентами двух городов и скажите, где сигнал аналоговый.

Разбор.

phone A -> subscriber line A -> local exchange -> trunk -> transit exchange
        -> trunk -> local exchange -> subscriber line B -> phone B
analog:  phones and subscriber lines
digital: from the entrance of the first local exchange to the exit of the last

Аппараты и абонентские линии аналоговые. Между входом первой местной станции и выходом последней голос цифровой: он идёт по соединительным линиям потоками E1.

Вопрос. Между двумя станциями ровно 120 одновременных разговоров. Сколько потоков E1 нужно и что будет со 121-м вызовом?

Разбор. 120 / 30 = 4 — деление выходит ровно, округлять не нужно. Четыре потока дают 4 × 30 = 120 каналов, запаса нет. 121-й вызов заблокируется: свободного канала нет, и вызывающий услышит частые короткие гудки.

Ответы к практике. 1 — ни одного: станция соединяет обе линии внутри себя. 2 — четыре станции дают 3 линии между ними, 3 канала и 3 × 128 = 384 kbit/s. 3 — во-первых, у каждого абонента линия своя, уже проложенная, а аппарат прост и дёшев; во-вторых, цифровой сигнал можно восстанавливать на пути, он не накапливает шум и хорошо уплотняется в потоки там, где линия общая. 4 — ceil(215 / 30) = ceil(7.17) = 8 потоков, 8 × 30 = 240 каналов, запас 25. Если считать по 32: ceil(215 / 32) = ceil(6.72) = 7 потоков, 7 × 30 = 210 каналов, заблокируется 215 − 210 = 5 вызовов. 5 — ceil(250 / 30) = ceil(8.33) = 9 потоков, 9 × 30 = 270 каналов, запас 20. На один поток меньше — 8 потоков, 240 каналов: заблокируется 250 − 240 = 10 вызовов.

Повторение и критерий перехода

Переходите к следующему уроку, если без подсказки можете:

• расшифровать PSTN и объяснить слова «общего пользования» и «коммутируемая»;
• назвать пять частей пути вызова, сказать, что делает каждая, и нарисовать путь между двумя городами;
• объяснить, где голос аналоговый, где цифровой и почему;
• посчитать каналы для вызова через N станций и потоки E1 для заданного числа разговоров;
• по жалобе выбрать часть пути, с которой начинать поиск.

Дальше — урок 2 про уровни станций и зачем нужна транзитная станция. Следом в треке идут курсы isdn, ss7 (ОКС-7) и sip; пока это только названия, подробности — в своё время.

Стандарты и источники

• ITU-T P.10/G.100 (11/2017), разд. 6: п. 6.204 «public switched telephone network (PSTN)» — сеть, чьи возможности доступны широкой публике; п. 6.201 «private branch exchange (PBX)»; п. 6.203 «private network».
• ITU-T Q.9 (11/1988) — словарь терминов коммутации и сигнализации; о нём — курс telbasics, урок 42.
• ITU-T G.711 (11/88) — 8000 отсчётов в секунду, 8 бит, 64 кбит/с (курс telbasics, урок 25).
• ITU-T G.704 (10/98), п. 5.1 — кадр E1: 32 таймслота, телефонные каналы в таймслотах 1–15 и 17–31 (курс telbasics, урок 31).