Зачем цифровой абонент: ограничения аналоговой линии

Вы поднимаете трубку домашнего телефона — слышите ответ станции, набираете номер — идёт вызов. Так аналоговая абонентская линия работает десятилетиями, но у неё есть четыре предела, которые не обойти настройкой: один разговор на пару проводов, помехи на последней миле, бедный язык сигналов и невозможность вести разговор и передавать данные одновременно. Это вводный урок курса: мы назовём эти пределы, посчитаем их и увидим, какую идею предложила сеть ISDN, чтобы их снять. Подробности — в следующих уроках.

Цель и что нужно знать

После урока вы сможете:

• назвать четыре предела аналоговой абонентской линии и узнать каждый по жалобе абонента;
• посчитать, сколько аналоговых пар нужно для заданного числа одновременных разговоров;
• оценить время импульсного набора номера и объяснить, почему «язык» аналоговой сигнализации беден;
• объяснить идею ISDN: цифра до самого абонента, интеграция служб и отдельный канал для сигнализации;
• сказать, где ISDN используют сегодня и зачем он изучается в этом курсе.

Что нужно знать заранее: курсы telbasics и pstn целиком. Здесь понадобятся из telbasics: полоса канала 300–3400 Гц (урок 16), затухание, шум и переходные помехи (урок 17), аналог и цифра (урок 21), канал 64 кбит/с (урок 25). Из pstn: абонентская линия (урок 3), питание линии и снятие трубки (уроки 9–10), сигналы станции и вызов (уроки 11–12), импульсный набор (урок 13), определение номера (урок 14), DTMF (урок 18) и недостатки CAS (урок 48).

Задача из жизни

Нигяр — менеджер небольшого турагентства в Баку. У агентства одна городская линия: одна пара проводов и один номер. Нигяр разговаривает с клиентом, а второй клиент в это время звонит и слышит «занято». Директор Рашад хочет отправить факс — пока идёт факс, телефон молчит. Вечером он подключает компьютер к интернету через модем — и снова ни одного звонка. На старом дисковом аппарате в кабинете директора номер с нулями набирается целую вечность. Рашад просит оператора: «Сделайте так, чтобы на моей линии шло два разговора сразу, номер уходил быстро и можно было работать с данными».

Второй случай — у родителей Нигяр в посёлке. До станции 5 km кабеля, голос в трубке тихий и с шипением. Монтёр объясняет: «Станция цифровая, внутри сети всё чисто — проблема у вас на линии».

Оба случая упираются в пределы одной и той же аналоговой линии. Разберём их по порядку и посмотрим, что предложила сеть ISDN.

Что умеет аналоговая линия: короткое напоминание

Всё, что происходит на аналоговой линии, идёт по одной паре проводов a и b (урок 3 курса pstn). Станция подаёт в неё постоянный ток питания (урок 9), а телефон отвечает замыканием и размыканием шлейфа (урок 10). Таблица напоминает, чем линия передаёт каждую «новость».

Всё идёт по одной паре, а часть «новостей» — прямо в полосе голоса. Отсюда и пределы.

Предел 1: один разговор на пару

Пара проводов a и b — один двухпроводный тракт «туда и обратно» (урок 18 курса telbasics). Пока он занят разговором, второй разговор на этой же паре невозможен. Аналогия — дорога с одной полосой: машины едут друг за другом, но рядом не поместятся. Телефоны, включённые параллельно в одну линию, второй разговор не создают: они подключены к той же паре, и, подняв трубку второго аппарата, вы услышите уже идущий разговор.

Нужно два разговора сразу — нужна вторая пара, а вместе с ней второй порт на станции и свои пары на каждом участке кабеля до шкафа (урок 3). Если в офисе одновременно говорят n человек, нужно n аналоговых линий.

Разбор примера: сколько пар нужно агентству

calls at once   analog pairs
1               1
2               2
4               4
12              12

rule: pairs = calls at once (1 pair = 1 call)

Построчно:

1. Одной паре — один разговор, поэтому для одного разговора нужна одна пара.
2. Два одновременных разговора — две пары, четыре — четыре пары.
3. Для 12 одновременных разговоров нужно 12 пар, 12 портов станции и 12 «жил» в кабеле на всём пути. Рост линейный: каждый новый разговор — новая пара.

Предел 2: помехи и затухание на последней миле

Внутри современной сети голос превращён в биты — это канал 64 кбит/с (урок 25 курса telbasics). А вот последний участок, абонентская линия, аналоговый: голос идёт по медной паре как волна, и только на плате абонентской линии станции его оцифровывает кодек (урок 30 курса pstn). Всё, что линия успела сделать с волной, оцифровывается вместе с голосом.

Что делает линия, мы знаем из урока 17 курса telbasics: затухание (сигнал слабеет с длиной), искажения и переходные помехи. Вычистить их нельзя: приёмник не отличает голос от шума, а усилитель делает громче и голос, и шум.

Разбор примера: линия 5 км

Берём справочные значения из уроков pstn 3 и telbasics 17: жила 0.5 mm, потери 1.2 dB/km на 800 Hz, сопротивление шлейфа 180 Ω/km, предел станции — учебное допущение 1000 Ω.

line: 5 km, 0.5 mm, tone 800 Hz

loss: 5 km × 1.2 dB/km = 6 dB
      6 dB = 3 dB + 3 dB → power is 4 times weaker
loop resistance: 5 km × 180 Ω/km = 900 Ω → less than 1000 Ω, fits

two such lines in one call (caller and called party):
6 dB + 6 dB = 12 dB = 4 × 3 dB → power is 2 × 2 × 2 × 2 = 16 times weaker

Построчно:

1. Потери: 5 × 1.2 = 6 dB. Каждые 3 дБ — примерно вдвое слабее по мощности, поэтому 6 dB — вчетверо.
2. Сопротивление шлейфа 5 × 180 = 900 Ω меньше предела 1000 Ω: линия подходит по питанию. Но на ней всё равно теряется 6 дБ.
3. В разговоре участвуют две абонентские линии — у звонящего и у вызываемого. Если обе такие, потери складываются: 12 dB, то есть мощность слабее в 16 раз. Считаем только кабели двух линий, станции и усилители не учитываем.

Качество разговора определяет самое слабое звено, а им оказывается аналоговая абонентская линия. Идея ISDN — перенести границу «аналог / цифра» к абоненту, в сам телефон: голос превращается в биты в аппарате, и по линии идут уже биты, а не волна. Пока приёмник различает единицы и нули (урок 21 курса telbasics), шум линии не становится частью голоса.

Предел 3: сигналы медленные, а «язык» беден

Вспомним, как аналоговая линия сообщает станции, куда звонит абонент.

Импульсный набор (урок 13): цифра — это столько-то размыканий шлейфа со скоростью 10 импульсов в секунду. Цифра 0 — десять импульсов, целая секунда. Между цифрами нужна пауза: по ней станция понимает, где кончилась одна цифра и началась другая.

Разбор примера: время набора номера 5017

Учебная модель из урока 13: каждый импульс занимает 100 мс, пауза между цифрами — 0,8 с.

digit  pulses  time (100 ms per pulse)
5      5       0.5 s
0      10      1.0 s
1      1       0.1 s
7      7       0.7 s
pulses: 23  -> 2.3 s
pauses: 3 × 0.8 s = 2.4 s
total: 4.7 s

Построчно:

1. Цифры 5, 0, 1, 7 дают 5 + 10 + 1 + 7 = 23 импульса, то есть 23 × 0.1 = 2.3 s.
2. В номере из четырёх цифр три паузы между цифрами: 3 × 0.8 = 2.4 s.
3. Итого 2.3 + 2.4 = 4.7 s до того, как станция получит весь номер.

Тональный набор DTMF (урок 18) быстрее, но говорит на языке из 16 «слов» — пар тонов матрицы 4×4, а передаётся он в той же полосе, где голос: приёмник иногда принимает кусочек голоса за цифру (talk-off, урок 20). Определение номера (урок 14) возможно только короткой посылкой в паузе между двумя звонками.

Главное — бедность языка. Линия умеет сказать: «трубка снята», «вот цифра», «вызываю». А вот «мне нужен не голосовой вызов, а канал для данных», «звоню с такого-то номера, но показывать его не надо» или «вызов не прошёл по такой-то причине» — сказать нечем: для этих сведений нет «слов». К тому же многие сигналы идут в полосе разговора, где они мешают голосу и сами искажаются.

Те же пределы вы уже видели у сигнализации по выделенному каналу CAS между станциями (урок 48 курса pstn): медленно, мало сигналов, привязка к разговорному каналу, уязвимость внутриполосных тонов. Выходом был общий канал сигнализации — ОКС-7 (= SS7 = CCS7 = No.7 = N7; курс ss7). ISDN применяет идею отдельного канала на участке «абонент — станция»: сообщения идут не в полосе разговора, а в своём канале.

Предел 4: данные и голос не помещаются вместе

Аналоговая линия пропускает только полосу 300–3400 Гц (урок 16 курса telbasics). Чтобы передать по ней данные компьютера, нужен модем: он превращает биты в звуки этой полосы и обратно. Следствия:

• пока идёт сеанс модема (или факса), линия занята: разговор невозможен, и наоборот;
• скорость ограничена узкой полосой: по стандартам ITU-T аналоговые модемы дают до 33.6 kbit/s в обе стороны и до 56 kbit/s в одну сторону.

💡 Позже появилась технология DSL: она передаёт данные на частотах выше голоса, и тогда голос и данные идут по одной паре одновременно. Но это отдельный способ, он не меняет линию в полосе разговора. ISDN решает задачу иначе — цифровыми каналами.

Идея ISDN

Теперь у нас есть список претензий. Сеть ISDN (Integrated Services Digital Network, «цифровая сеть с интеграцией служб») отвечает на них тремя идеями. Каждая спрятана в названии или в устройстве сети.

1. Digital — цифра до самого абонента. Голос превращается в биты уже в аппарате абонента. По линии идут те же каналы 64 кбит/с, что и внутри сети (урок 25 курса telbasics), а не аналоговая волна. Биты можно распознать и восстановить, поэтому шум линии не портит голос постепенно.
2. Integrated services — интеграция служб. Голос, данные и другие службы (услуги связи) идут через одну линию и один набор стандартных способов подключения — вместо отдельной линии под каждую службу. Данные идут цифровым каналом без модема.
3. Отдельный канал для сигнализации. Вместо импульсов, тонов и тока в полосе разговора — сообщения в собственном канале: в одном сообщении можно передать номер целиком, вид вызова (голос или данные) и другие сведения. Это та же идея общего канала, что и в ОКС-7.

По определению ITU-T (рекомендация I.112) ISDN — это сеть интегрированных служб, которая даёт цифровые соединения между точками подключения абонентов.

Две формы ISDN: BRI и PRI

Пока только имена; разбирать их будем в уроках 6 и 13.

• BRI (basic rate interface, «базовый доступ»; у Huawei — BRA) — линия для дома и небольшого офиса: обычная медная пара, два разговора одновременно и канал сигнализации.
• PRI (primary rate interface, «первичный доступ»; у Huawei — PRA) — линия большой ёмкости, например для УАТС: поток E1, тридцать разговоров одновременно и канал сигнализации.

Протоколы Q.921 и Q.931 — имена двух протоколов, по которым ведётся обмен в канале сигнализации. Мы разберём их в разделах 4 и 5 курса.

Разбор примера: сколько пар нужно офису

Офису нужно 5 одновременных разговоров. Считаем для двух вариантов.

calls at once: 5

analog:  1 pair = 1 call          → 5 pairs
ISDN:    1 pair = 2 calls         → 5 / 2 = 2.5 → round up → 3 pairs

calls at once: 8
analog:  8 pairs
ISDN:    8 / 2 = 4 pairs

Построчно:

1. Аналог: пар столько же, сколько разговоров, то есть 5.
2. ISDN, линия для дома: на паре два разговора, значит 5 / 2 = 2.5. Пару нельзя разделить на части, поэтому округляем вверх — 3 пары. Канал сигнализации идёт по тем же парам, отдельной пары не нужно.
3. Для 8 разговоров получается ровно 8 / 2 = 4 пары: вдвое меньше, чем при аналоге.

Откуда взялся ISDN и где он сегодня

Стандарты ISDN пишет ITU-T (до 1 марта 1993 года — CCITT: в этот день его заменил ITU-T). Они собраны в серии I. Для знакомства достаточно двух документов: I.112 («словарь терминов») и I.120 («общие принципы ISDN»). В самих текстах указано, что первая редакция относится к 1984 году (Малага-Торремолинос); потом они пересматривались в 1988 и 1993 годах (в действии редакции 03/93). В I.120 сказано, что ISDN вырастает из цифровой телефонной сети и что переход к нему может занять «одно или несколько десятилетий».

Сегодня абонентский BRI встречается всё реже: во многих странах операторы переводят клиентов на IP-телефонию. А PRI до сих пор встречается на стыке УАТС предприятия с оператором, поэтому курс практический: вы научитесь читать обмен сообщениями по линии PRI и поймёте, как УАТС и станция договариваются о вызове. Идея отдельного канала сигнализации пригодится и дальше в треке.

Что может сломаться и как это найти

⚠️ ISDN не лечит физику линии. Обрыв, плохой контакт и отсыревший кабель остаются неисправностями и на цифровой линии: меняется то, что идёт по паре, а не сама пара. Поиск неисправности начинайте с самого нижнего уровня — с проверки пары и её контактов.

Практика

1. Предскажите. Офису нужно 6 одновременных разговоров. Сколько нужно аналоговых пар? Сколько пар потребуется, если на одной паре помещаются два разговора?
2. Проверьте. Посчитайте по правилу «аналог: пар столько же, сколько разговоров; ISDN: делим на 2 и округляем вверх». Совпало ли с предсказанием?
3. Объясните. Почему факс и телефонный разговор не могут идти одновременно по одной аналоговой линии?
4. Измените. Посчитайте время набора номера 7090 в модели (100 мс на импульс, пауза 0,8 с). Какое время получится для номера 1111?
5. Сделайте сами (со звёздочкой ⭐). Два абонента соединены через цифровые станции, у каждого аналоговая линия 5 km (жила 0.5 mm, 1.2 dB/km на 800 Hz). Сколько дБ набегает на двух линиях вместе и во сколько раз слабее мощность? Как изменилась бы картина, если голос превращался бы в биты в самом телефоне?

Самопроверка

Вопрос. Станция цифровая, внутри сети всё идёт каналами 64 кбит/с, а абонент слышит шипение. Почему?

Разбор. Шум и потери набираются на аналоговой абонентской линии до платы станции, где голос оцифровывается. Кодек оцифровывает всё, что пришло по линии: голос вместе с шумом. После этого шум уже нельзя отделить — он стал частью отсчётов. Чтобы шум линии не попадал в голос, нужно оцифровать голос раньше, в самом телефоне: это и есть идея «цифра до абонента».

Вопрос. Офису нужно 7 одновременных разговоров и одно соединение для данных по модему. Сколько нужно аналоговых пар? А пар линии ISDN с двумя каналами на паре, если данные идут отдельным каналом, а разговоры — остальными?

Разбор. Аналог: модем занимает линию целиком, значит 7 + 1 = 8 пар. ISDN: нужно 7 + 1 = 8 каналов (данные идут цифровым каналом без модема), 8 / 2 = 4 пары.

Ответы к практике. 1 — аналог: 6 пар; на паре два разговора: 6 / 2 = 3 пары. 2 — совпало: при ISDN пар вдвое меньше. 3 — и факс, и модем передают сигнал в той же полосе 300–3400 Гц, что и голос, и занимают всю пару, поэтому во время их сеанса разговор невозможен. 4 — номер 7090: 7 + 10 + 9 + 10 = 36 импульсов, 3.6 s; три паузы по 0.8 s дают 2.4 s; итого 6.0 s. Номер 1111: 4 импульса, 0.4 s плюс 2.4 s пауз — 2.8 s. 5 — 6 dB + 6 dB = 12 dB, мощность слабее в 16 раз. Если голос превращается в биты в телефоне, потери линии не искажают голос постепенно: пока приёмник различает единицы и нули, голос на выходе тот же. Когда линия слишком длинная, пропадает уже не качество, а сама связь: приёмник перестаёт различать биты.

Повторение и критерий перехода

Переходите к следующему уроку, если без подсказки можете:

• назвать четыре предела аналоговой линии и привести жалобу абонента для каждого;
• посчитать число пар для заданного числа одновременных разговоров на аналоге и на ISDN (два разговора на паре);
• посчитать время импульсного набора номера и объяснить, почему сообщение быстрее и «богаче»;
• пересказать три идеи ISDN: цифра до абонента, интеграция служб, отдельный канал сигнализации.

Дальше — урок 2: каналы, из которых строится линия ISDN, получат имена B, D и H.

Стандарты и источники

• ITU-T I.112 (03/93) «Vocabulary of terms for ISDNs» — определение ISDN (термин 308): сеть интегрированных служб, дающая цифровые соединения между точками подключения абонентов.
• ITU-T I.120 (03/93) «Integrated services digital networks (ISDNs)» — принципы ISDN: поддержка голосовых и неголосовых приложений в одной сети, совместимость новых служб с коммутируемыми цифровыми соединениями 64 кбит/с, развитие из цифровой телефонной сети; в заголовке — Malaga-Torremolinos, 1984; пересмотры 1988 и 1993.
• Q.921 и Q.931 — названия протоколов канала сигнализации; разберём в разделах 4 и 5. Рекомендации серии I для линий BRI и PRI — в уроках 6 и 13.
• ITU-T V.34 (02/98) — аналоговые модемы до 33 600 бит/с; ITU-T V.90 (09/98) — до 56 000 бит/с в одну сторону и до 33 600 бит/с в другую.
• Курсы telbasics (уроки 16, 17, 21, 25) и pstn (уроки 3, 9–14, 18, 30, 48) — повторение пределов аналоговой линии.