Телекоммуникация , часто используемая во множественном числе или сокращенно как телеком , представляет собой передачу информации с непосредственностью, сопоставимой с общением лицом к лицу. Таким образом, медленные технологии связи, такие как почта и пневматические трубки, исключены из определения. [1] [2] На протяжении всей истории для телекоммуникаций использовались многие средства передачи данных : от дымовых сигналов , маяков , семафорных телеграфов , сигнальных флагов и оптических гелиографов до проводов и пустого пространства, предназначенных для передачи электромагнитных сигналов. Эти пути передачи данных можно разделить на каналы связи для мультиплексирования , что позволяет одной среде передавать несколько одновременных сеансов связи . Несколько методов дальней связи до современной эпохи использовали такие звуки, как закодированные барабанные бои , гудение рожков и свистки . Технологии дальней связи, изобретенные в 20-м и 21-м веках, обычно используют электроэнергию и включают телеграф , телефон , телевидение и радио .
Ранние телекоммуникационные сети использовали металлические провода в качестве среды для передачи сигналов. Эти сети использовались для телеграфии и телефонии в течение многих десятилетий. В первом десятилетии 20-го века революция в беспроводной связи началась с прорывов, включая те, которые были сделаны в радиосвязи Гульельмо Маркони , который получил Нобелевскую премию по физике 1909 года . Другими ранними пионерами в области электрических и электронных телекоммуникаций являются соавторы телеграфа Чарльз Уитстон и Сэмюэл Морзе , многочисленные изобретатели и разработчики телефона, включая Антонио Меуччи и Александра Грэхема Белла , изобретатели радио Эдвина Армстронга и Ли де Фореста , а также изобретатели телевидения, такие как Владимир К. Зворыкин , Джон Логи Бэрд и Фило Фарнсворт .
С 1960 - х годов распространение цифровых технологий привело к тому, что голосовая связь постепенно дополнялась данными. Физические ограничения металлических носителей подтолкнули к разработке оптоволокна. [3] [4] [5] Интернет , технология, независимая от какой-либо конкретной среды, предоставил глобальный доступ к услугам для индивидуальных пользователей и еще больше сократил ограничения по местоположению и времени для связи.
Телекоммуникация — сложное существительное, образованное от греческого префикса tele- (τῆλε), означающего «далекий» , «вдали » или «вдали» , [6] и латинского глагола communicationare , означающего «делиться» . Его современное использование заимствовано из французского языка, [7], поскольку его письменное использование было зафиксировано в 1904 году французским инженером и писателем Эдуардом Эстонье . [8] [9] Коммуникация впервые была использована как английское слово в конце 14 века. Оно происходит от старофранцузского comunicacion (14 в., современная французская коммуникация), от латинского communicationem (именительный падеж коммуникации), существительного действия от причастия прошедшего времени от communicationare, «делиться, разделять; общаться, сообщать, информировать; присоединяться, объединяться, участвовать в», буквально «делать общим», от communis». [10]
На Полномочной конференции по телеграфии 1932 года и Международной радиотелеграфной конференции в Мадриде две организации объединились, образовав Международный союз электросвязи (МСЭ). [11] Они определили электросвязь как «любую телеграфную или телефонную передачу знаков, сигналов, письменных сообщений, факсимиле и звуков любого рода по проводам, беспроводным или другим системам или процессам электрической сигнализации или визуальной сигнализации (семафоры)».
Позднее определение было подтверждено в статье 1.3 Регламента радиосвязи МСЭ , в которой оно определяется как «любая передача , излучение или прием знаков, сигналов, письменных текстов, изображений и звуков или сообщений любого характера по проводам , радио, оптическим или другим электромагнитным системам».
Почтовые голуби использовались на протяжении всей истории разными культурами. Голубиная почта имеет персидские корни и позже использовалась римлянами для помощи своим военным. Фронтин утверждал, что Юлий Цезарь использовал голубей в качестве посланников при завоевании Галлии . [12] Греки также передавали имена победителей на Олимпийских играх в различные города с помощью почтовых голубей. [13] В начале 19 века голландское правительство использовало эту систему на Яве и Суматре . А в 1849 году Пол Юлиус Рейтер запустил голубиную службу для передачи цен на акции между Аахеном и Брюсселем , которая работала в течение года, пока не был закрыт разрыв в телеграфной связи. [14]
В Средние века цепи маяков обычно использовались на вершинах холмов в качестве средства передачи сигнала. Цепи маяков имели тот недостаток, что они могли передавать только один бит информации, поэтому значение сообщения, например, «замечен враг», приходилось согласовывать заранее. Один из примечательных примеров их использования был во время Испанской Армады , когда цепь маяков передавала сигнал из Плимута в Лондон . [15]
В 1792 году французский инженер Клод Шапп построил первую фиксированную визуальную телеграфную систему (или семафорную линию ) между Лиллем и Парижем. [16] Однако семафор страдал от необходимости иметь опытных операторов и дорогих вышек с интервалом от десяти до тридцати километров (от шести до девятнадцати миль). В результате конкуренции со стороны электрического телеграфа последняя коммерческая линия была заброшена в 1880 году. [17]
25 июля 1837 года английский изобретатель сэр Уильям Фотергилл Кук и английский учёный сэр Чарльз Уитстон продемонстрировали первый коммерческий электрический телеграф . [18] [19] Оба изобретателя рассматривали своё устройство как «улучшение [существующего] электромагнитного телеграфа», а не как новое устройство. [20]
Сэмюэль Морзе самостоятельно разработал версию электрического телеграфа, которую он безуспешно продемонстрировал 2 сентября 1837 года. Его код был важным шагом вперед по сравнению с методом сигнализации Уитстона. Первый трансатлантический телеграфный кабель был успешно завершен 27 июля 1866 года, что впервые позволило осуществить трансатлантическую связь. [21]
Обычный телефон был запатентован Александром Беллом в 1876 году. Элиша Грей также подал оговорку на него в 1876 году. Грей отказался от своей оговорки, и поскольку он не оспаривал приоритет Белла, эксперт одобрил патент Белла 3 марта 1876 года. Грей подал свою оговорку на телефон с переменным сопротивлением, но Белл был первым, кто задокументировал идею и протестировал ее в телефоне.[88] [22] Антонио Меуччи изобрел устройство, которое позволяло электрическую передачу голоса по линии почти за 30 лет до этого в 1849 году, но его устройство имело небольшую практическую ценность, поскольку оно полагалось на электрофонический эффект , требующий от пользователей помещать трубку в рот, чтобы «слышать». [23] Первые коммерческие телефонные услуги были созданы Bell Telephone Company в 1878 и 1879 годах по обе стороны Атлантики в городах Нью-Хейвен и Лондон. [24] [25]
В 1894 году итальянский изобретатель Гульельмо Маркони начал разрабатывать беспроводную связь, используя тогда только что открытое явление радиоволн , продемонстрировав к 1901 году, что они могут передаваться через Атлантический океан. [26] Это было началом беспроводной телеграфии по радио. 17 декабря 1902 года передача со станции Маркони в заливе Глейс, Новая Шотландия, Канада , стала первым в мире радиосообщением, пересекшим Атлантику из Северной Америки. В 1904 году была создана коммерческая служба для передачи ежевечерних сводок новостей на суда-подписчики, которые включали их в свои бортовые газеты. [27]
Первая мировая война ускорила развитие радио для военных коммуникаций . После войны коммерческое радиовещание AM началось в 1920-х годах и стало важным средством массовой информации для развлечений и новостей. Вторая мировая война снова ускорила развитие радио для военных целей авиационной и наземной связи, радионавигации и радаров. [28] Развитие стереофонического радиовещания FM началось в 1930-х годах в Соединенных Штатах и в 1940-х годах в Великобритании, [29] вытеснив AM как доминирующий коммерческий стандарт в 1970-х годах. [30]
25 марта 1925 года Джон Лоуги Бэрд продемонстрировал передачу движущихся изображений в лондонском универмаге Selfridges . Устройство Бэрда основывалось на диске Нипкова Пола Нипкова и, таким образом, стало известно как механическое телевидение . Оно легло в основу экспериментальных передач, проводимых Британской вещательной корпорацией, начиная с 30 сентября 1929 года. [31] Однако большую часть XX века телевизоры зависели от электронно-лучевой трубки, изобретенной Карлом Фердинандом Брауном . Первая многообещающая версия такого телевизора была создана Фило Фарнсвортом и продемонстрирована его семье 7 сентября 1927 года. [32] После Второй мировой войны прерванные эксперименты возобновились, и телевидение стало важным средством домашнего развлекательного вещания.
Тип устройства, известный как термоэлектронная трубка или термоэлектронный клапан, использует термоэлектронную эмиссию электронов из нагретого катода для ряда фундаментальных электронных функций, таких как усиление сигнала и выпрямление тока .
Простейшая вакуумная лампа, диод, изобретенный в 1904 году Джоном Амброузом Флемингом , содержит только нагретый катод, испускающий электроны, и анод. Электроны могут течь через устройство только в одном направлении — от катода к аноду. Добавление одной или нескольких управляющих сеток внутри трубки позволяет контролировать ток между катодом и анодом с помощью напряжения на сетке или сетках. [33] Эти устройства стали ключевым компонентом электронных схем в первой половине 20-го века и имели решающее значение для развития радио, телевидения, радаров, звукозаписи и воспроизведения , междугородных телефонных сетей, а также аналоговых и ранних цифровых компьютеров . Хотя некоторые приложения использовали более ранние технологии, такие как передатчик с искровым зазором для радио или механические компьютеры для вычислений, именно изобретение термоэлектронной вакуумной лампы сделало эти технологии широко распространенными и практичными, что привело к созданию электроники . [34]
В 1940-х годах изобретение полупроводниковых приборов позволило производить твердотельные приборы, которые меньше, дешевле и эффективнее, надежнее и долговечнее термоэлектронных трубок. Начиная с середины 1960-х годов термоэлектронные трубки были заменены транзистором . Термоэлектронные трубки все еще имеют некоторые приложения для некоторых высокочастотных усилителей.
11 сентября 1940 года Джордж Стибиц передал задачи для своего Калькулятора комплексных чисел в Нью-Йорк с помощью телетайпа и получил вычисленные результаты обратно в Дартмутский колледж в Нью-Гемпшире . [35] Эта конфигурация централизованного компьютера ( мэйнфрейма ) с удаленными немыми терминалами оставалась популярной вплоть до 1970-х годов. В 1960-х годах Пол Баран и, независимо, Дональд Дэвис начали исследовать коммутацию пакетов , технологию, которая отправляет сообщение по частям к месту назначения асинхронно, не пропуская его через централизованный мэйнфрейм . Сеть из четырех узлов появилась 5 декабря 1969 года, составив начало ARPANET , которая к 1981 году выросла до 213 узлов . [36] ARPANET в конечном итоге объединилась с другими сетями, образовав Интернет. В то время как развитие Интернета находилось в центре внимания Целевой группы по инжинирингу Интернета (IETF), опубликовавшей ряд документов «Запрос на комментарии» , другие достижения в области сетевых технологий происходили в промышленных лабораториях , например, разработки локальных вычислительных сетей (LAN) Ethernet (1983), Token Ring (1984) [ необходима ссылка ] и топологии сети Star .
Эффективная емкость обмена информацией по всему миру через двусторонние телекоммуникационные сети выросла с 281 петабайта (ПБ) оптимально сжатой информации в 1986 году до 471 ПБ в 1993 году, до 2,2 эксабайт (ЭБ) в 2000 году и до 65 ЭБ в 2007 году. [37] Это информационный эквивалент двух газетных страниц на человека в день в 1986 году и шести полных газет на человека в день к 2007 году. [38] Учитывая этот рост, телекоммуникации играют все более важную роль в мировой экономике, и глобальная телекоммуникационная индустрия составляла около 4,7 триллиона долларов в 2012 году. [39] [40] Доход от услуг глобальной телекоммуникационной индустрии оценивался в 1,5 триллиона долларов в 2010 году, что соответствует 2,4% от мирового валового внутреннего продукта (ВВП). [39]
Современная телекоммуникация основана на ряде ключевых концепций, которые подвергались прогрессивному развитию и совершенствованию на протяжении более чем столетия:
Телекоммуникационные технологии можно разделить на проводные и беспроводные. В целом, базовая телекоммуникационная система состоит из трех основных частей, которые всегда присутствуют в той или иной форме:
На радиовещательной станции большой усилитель мощности станции является передатчиком, а вещательная антенна является интерфейсом между усилителем мощности и каналом свободного пространства. Канал свободного пространства является средой передачи, а антенна приемника является интерфейсом между каналом свободного пространства и приемником. Далее, радиоприемник является местом назначения радиосигнала, где он преобразуется из электричества в звук.
Телекоммуникационные системы иногда являются «дуплексными» (двусторонними системами) с одним блоком электроники, работающим как передатчик и приемник, или приемопередатчиком (например, мобильный телефон ). [41] Электроника передачи и электроника приемника в приемопередатчике совершенно независимы друг от друга. Это можно объяснить тем фактом, что радиопередатчики содержат усилители мощности, которые работают с электрической мощностью, измеряемой в ваттах или киловаттах, но радиоприемники имеют дело с радиомощностью, измеряемой в микроваттах или нановаттах . Следовательно, приемопередатчики должны быть тщательно спроектированы и построены, чтобы изолировать их высокомощные схемы и их маломощные схемы друг от друга, чтобы избежать помех.
Телекоммуникация по фиксированным линиям называется связью точка-точка, потому что она происходит между передатчиком и приемником. Телекоммуникация посредством радиопередач называется широковещательной связью, потому что она происходит между мощным передатчиком и многочисленными маломощными, но чувствительными радиоприемниками. [41]
Телекоммуникации, в которых несколько передатчиков и несколько приемников были разработаны для взаимодействия и совместного использования одного и того же физического канала, называются мультиплексными системами . Совместное использование физических каналов с использованием мультиплексирования часто приводит к значительному снижению затрат. Мультиплексные системы размещаются в телекоммуникационных сетях, а мультиплексированные сигналы коммутируются в узлах через правильный конечный приемник назначения.
Сообщения могут быть закодированы как аналоговые или цифровые сигналы , которые, в свою очередь, могут передаваться аналоговыми или цифровыми системами связи. Аналоговые сигналы непрерывно изменяются относительно информации, в то время как цифровые сигналы кодируют информацию как набор дискретных значений (например, набор единиц и нулей). [42] Во время распространения и приема информация, содержащаяся в аналоговых сигналах, ухудшается нежелательным шумом . Обычно шум в системе связи можно выразить как добавление или вычитание из желаемого сигнала посредством случайного процесса . Эта форма шума называется аддитивным шумом , с пониманием того, что шум может быть отрицательным или положительным в разных случаях.
Если аддитивное шумовое возмущение не превышает определенного порога, информация, содержащаяся в цифровых сигналах, останется нетронутой. Их устойчивость к шуму представляет собой ключевое преимущество цифровых сигналов над аналоговыми сигналами. Однако цифровые системы выходят из строя катастрофически , когда шум превышает способность системы к автокоррекции. С другой стороны, аналоговые системы выходят из строя изящно: по мере увеличения шума сигнал становится все более деградирующим, но все еще пригодным для использования. Кроме того, цифровая передача непрерывных данных неизбежно добавляет шум квантования к выходу. Его можно уменьшить, но не устранить, только за счет увеличения требуемой полосы пропускания канала.
Термин «канал» имеет два разных значения. В одном значении канал — это физическая среда, которая переносит сигнал между передатчиком и приемником. Примерами этого являются атмосфера для звуковой связи, стеклянные оптические волокна для некоторых видов оптической связи , коаксиальные кабели для связи посредством напряжений и электрических токов в них и свободное пространство для связи с использованием видимого света , инфракрасных волн, ультрафиолетового света и радиоволн . Типы коаксиальных кабелей классифицируются по типу RG или «радиогиду», терминологии, полученной со времен Второй мировой войны. Различные обозначения RG используются для классификации конкретных приложений передачи сигнала. [43] Этот последний канал называется «каналом свободного пространства». Отправка радиоволн из одного места в другое не имеет ничего общего с наличием или отсутствием атмосферы между ними. Радиоволны распространяются через идеальный вакуум так же легко, как они распространяются через воздух, туман, облака или любой другой вид газа.
Другое значение термина «канал» в телекоммуникациях можно увидеть во фразе « канал связи» , который является подразделением среды передачи, чтобы его можно было использовать для отправки нескольких потоков информации одновременно. Например, одна радиостанция может транслировать радиоволны в свободное пространство на частотах около 94,5 МГц (мегагерц), в то время как другая радиостанция может одновременно транслировать радиоволны на частотах около 96,1 МГц. Каждая радиостанция будет передавать радиоволны в полосе частот около 180 кГц (килогерц), сосредоточенной на частотах, таких как выше, которые называются «несущими частотами» . Каждая станция в этом примере отделена от соседних станций на 200 кГц, а разница между 200 кГц и 180 кГц (20 кГц) является инженерным допуском на несовершенства в системе связи.
В приведенном выше примере «канал свободного пространства» был разделен на каналы связи в соответствии с частотами , и каждому каналу назначена отдельная полоса частот, в которой транслируются радиоволны. Эта система разделения среды на каналы в соответствии с частотой называется « мультиплексирование с разделением по частоте ». Другой термин для той же концепции — « мультиплексирование с разделением по длине волны », которое чаще используется в оптической связи, когда несколько передатчиков совместно используют одну и ту же физическую среду.
Другой способ разделения среды связи на каналы — выделить каждому отправителю повторяющийся сегмент времени («временной интервал», например, 20 миллисекунд из каждой секунды) и разрешить каждому отправителю отправлять сообщения только в пределах своего собственного временного интервала. Этот метод разделения среды связи на каналы связи называется « мультиплексированием с временным разделением » ( TDM ) и используется в оптоволоконной связи. Некоторые системы радиосвязи используют TDM в пределах выделенного канала FDM. Следовательно, эти системы используют гибрид TDM и FDM.
Формирование сигнала для передачи информации известно как модуляция . Модуляция может использоваться для представления цифрового сообщения в виде аналоговой формы волны. Это обычно называется «манипулированием» — термин, полученный из более раннего использования кода Морзе в телекоммуникациях, — и существует несколько методов манипуляции (к ним относятся фазовая манипуляция , частотная манипуляция и амплитудная манипуляция ). Например, система « Bluetooth » использует фазовую манипуляцию для обмена информацией между различными устройствами. [44] [45] Кроме того, существуют комбинации фазовой манипуляции и амплитудной манипуляции, которые (на жаргоне этой области) называются « квадратурной амплитудной модуляцией » (QAM), которые используются в цифровых системах радиосвязи с высокой пропускной способностью.
Модуляция также может использоваться для передачи информации низкочастотных аналоговых сигналов на более высоких частотах. Это полезно, поскольку низкочастотные аналоговые сигналы не могут эффективно передаваться по свободному пространству. Следовательно, информация из низкочастотного аналогового сигнала должна быть введена в более высокочастотный сигнал (известный как « несущая волна ») перед передачей. Существует несколько различных схем модуляции, доступных для достижения этого [две из самых основных — амплитудная модуляция (AM) и частотная модуляция (FM)]. Примером этого процесса является голос диск-жокея, введенный в несущую волну 96 МГц с использованием частотной модуляции (голос затем будет принят по радио как канал «96 FM»). [46] Кроме того, модуляция имеет то преимущество, что она может использовать частотное разделение каналов (FDM).
Телекоммуникационная сеть представляет собой совокупность передатчиков, приемников и каналов связи , которые отправляют сообщения друг другу. Некоторые цифровые сети связи содержат один или несколько маршрутизаторов , которые работают вместе для передачи информации нужному пользователю. Аналоговая сеть связи состоит из одного или нескольких коммутаторов , которые устанавливают соединение между двумя или более пользователями. Для обоих типов сетей могут потребоваться повторители для усиления или воссоздания сигнала при его передаче на большие расстояния. Это необходимо для борьбы с затуханием , которое может сделать сигнал неотличимым от шума. [47] Еще одним преимуществом цифровых систем перед аналоговыми является то, что их выход легче хранить в памяти, т. е. два состояния напряжения (высокое и низкое) легче хранить, чем непрерывный диапазон состояний.
Телекоммуникации оказывают значительное социальное, культурное и экономическое влияние на современное общество. В 2008 году, по оценкам, доход телекоммуникационной отрасли составил 4,7 триллиона долларов США или чуть менее трех процентов от валового мирового продукта (официальный обменный курс). [39] В нескольких следующих разделах обсуждается влияние телекоммуникаций на общество.
В микроэкономическом масштабе компании использовали телекоммуникации для создания глобальных бизнес-империй. Это очевидно в случае интернет-ритейлера Amazon.com, но, по словам академика Эдварда Ленерта, даже обычный ритейлер Walmart выиграл от лучшей телекоммуникационной инфраструктуры по сравнению со своими конкурентами. [48] В городах по всему миру владельцы домов используют свои телефоны для заказа и организации различных домашних услуг, начиная от доставки пиццы и заканчивая электрикой. Было отмечено, что даже относительно бедные общины используют телекоммуникации в своих интересах. В округе Нарсингди в Бангладеш изолированные сельские жители используют мобильные телефоны, чтобы напрямую общаться с оптовиками и договариваться о более выгодной цене на свои товары. В Кот-д'Ивуаре производители кофе совместно используют мобильные телефоны, чтобы отслеживать почасовые колебания цен на кофе и продавать его по лучшей цене. [49]
В макроэкономическом масштабе Ларс-Хендрик Рёллер и Леонард Вейверман предположили причинно-следственную связь между хорошей телекоммуникационной инфраструктурой и экономическим ростом. [50] [51] Мало кто оспаривает существование корреляции, хотя некоторые утверждают, что неправильно рассматривать эту связь как причинно-следственную. [52]
Из-за экономических выгод от хорошей телекоммуникационной инфраструктуры растет беспокойство по поводу неравномерного доступа к телекоммуникационным услугам среди различных стран мира — это известно как цифровое неравенство . Исследование, проведенное Международным союзом электросвязи (МСЭ) в 2003 году, показало, что примерно в трети стран на каждые 20 человек приходится менее одной мобильной подписки, а в трети стран на каждые 20 человек приходится менее одной стационарной телефонной подписки. Что касается доступа в Интернет, то примерно в половине всех стран доступ в Интернет имеют менее одного из 20 человек. На основе этой информации, а также образовательных данных, МСЭ удалось составить индекс, который измеряет общую способность граждан получать доступ к информации и использовать технологии связи. [53] Используя этот показатель, Швеция, Дания и Исландия получили самый высокий рейтинг, в то время как африканские страны Нигер , Буркина-Фасо и Мали получили самый низкий. [54]
Телекоммуникация играет важную роль в социальных отношениях. Тем не менее, устройства, такие как телефонная система, изначально рекламировались с упором на практические аспекты устройства (такие как возможность вести бизнес или заказывать домашние услуги), а не на социальные аспекты. Только в конце 1920-х и 1930-х годов социальные аспекты устройства стали заметной темой в телефонной рекламе. Новые акции начали апеллировать к эмоциям потребителей, подчеркивая важность социальных разговоров и поддержания связи с семьей и друзьями. [55]
С тех пор роль, которую телекоммуникации играют в социальных отношениях, становится все более важной. В последние годы [ когда? ] популярность сайтов социальных сетей резко возросла. Эти сайты позволяют пользователям общаться друг с другом, а также публиковать фотографии, события и профили для просмотра другими. В профилях может быть указан возраст человека, его интересы, сексуальные предпочтения и статус отношений. Таким образом, эти сайты могут играть важную роль во всем, от организации социальных мероприятий до ухаживаний . [56]
До появления сайтов социальных сетей такие технологии, как служба коротких сообщений (SMS) и телефон, также оказали значительное влияние на социальное взаимодействие. В 2000 году исследовательская группа рынка Ipsos MORI сообщила, что 81% пользователей SMS в возрасте от 15 до 24 лет в Соединенном Королевстве использовали эту услугу для координации социальных мероприятий, а 42% — для флирта. [57]
В культурном плане телекоммуникации увеличили возможности общественности в доступе к музыке и фильмам. Благодаря телевидению люди могут смотреть фильмы, которые они раньше не видели, у себя дома, не идя в видеомагазин или кинотеатр. Благодаря радио и Интернету люди могут слушать музыку, которую они раньше не слышали, не идя в музыкальный магазин.
Телекоммуникации также изменили способ получения новостей. Опрос 2006 года (правая таблица) среди чуть более 3000 американцев, проведенный некоммерческой организацией Pew Internet and American Life Project в Соединенных Штатах, показал, что большинство указало телевидение или радио вместо газет.
Телекоммуникации оказали столь же значительное влияние на рекламу. TNS Media Intelligence сообщила, что в 2007 году 58% рекламных расходов в США были потрачены на медиа, которые зависят от телекоммуникаций. [59]
Во многих странах были приняты законы, соответствующие Международному регламенту электросвязи, установленному Международным союзом электросвязи (МСЭ), который является «ведущим агентством ООН по вопросам информационно-коммуникационных технологий». [60] В 1947 году на конференции в Атлантик-Сити МСЭ принял решение «обеспечить международную защиту всех частот, зарегистрированных в новом международном списке частот и используемых в соответствии с Регламентом радиосвязи». Согласно Регламенту радиосвязи МСЭ , принятому в Атлантик-Сити, все частоты, указанные в Международном совете по регистрации частот , рассмотренные советом и зарегистрированные в Международном списке частот , «имеют право на международную защиту от вредных помех». [61]
С глобальной точки зрения, были политические дебаты и законодательство относительно управления телекоммуникациями и вещанием. История вещания обсуждает некоторые дебаты относительно баланса между обычными коммуникациями, такими как печать, и телекоммуникациями, такими как радиовещание. [62] Начало Второй мировой войны вызвало первый взрыв международной вещательной пропаганды. [62] Страны, их правительства, повстанцы, террористы и ополченцы использовали телекоммуникации и вещательные технологии для продвижения пропаганды. [62] [63] Патриотическая пропаганда для политических движений и колонизации началась в середине 1930-х годов. В 1936 году BBC транслировала пропаганду в арабский мир, чтобы частично противостоять аналогичным трансляциям из Италии, которая также имела колониальные интересы в Северной Африке. [62] Современные политические дебаты в области телекоммуникаций включают реклассификацию широкополосного интернет-сервиса как телекоммуникационного сервиса (также называемого сетевым нейтралитетом ), [64] [65] регулирование телефонного спама , [66] [67] и расширение доступного широкополосного доступа. [68]
Согласно данным, собранным Gartner [69] [70] и Ars Technica [71], продажи основного потребительского телекоммуникационного оборудования по всему миру в миллионах единиц составили:
В телефонной сети звонящий подключается к человеку, с которым он хочет поговорить, с помощью коммутаторов на различных телефонных станциях . Коммутаторы образуют электрическое соединение между двумя пользователями, и настройка этих коммутаторов определяется электронным способом, когда звонящий набирает номер. После установления соединения голос звонящего преобразуется в электрический сигнал с помощью небольшого микрофона в телефонной трубке звонящего . Затем этот электрический сигнал отправляется по сети пользователю на другом конце, где он преобразуется обратно в звук небольшим динамиком в телефонной трубке этого человека.
По состоянию на 2015 год [обновлять]стационарные телефоны в большинстве жилых домов являются аналоговыми, то есть голос говорящего напрямую определяет напряжение сигнала. [72] Хотя звонки на короткие расстояния могут обрабатываться от начала до конца как аналоговые сигналы, все больше поставщиков телефонных услуг прозрачно преобразуют сигналы в цифровые сигналы для передачи. Преимущество этого заключается в том, что оцифрованные голосовые данные могут передаваться бок о бок с данными из Интернета и могут быть идеально воспроизведены при дальней связи (в отличие от аналоговых сигналов, которые неизбежно подвержены влиянию шума).
Мобильные телефоны оказали значительное влияние на телефонные сети. Количество подписок на мобильные телефоны теперь превышает количество подписок на стационарные телефоны на многих рынках. Продажи мобильных телефонов в 2005 году составили 816,6 миллионов, причем эта цифра почти поровну разделена между рынками Азиатско-Тихоокеанского региона (204 млн), Западной Европы (164 млн), CEMEA (Центральная Европа, Ближний Восток и Африка) (153,5 млн), Северной Америки (148 млн) и Латинской Америки (102 млн). [73] С точки зрения новых подписок за пять лет с 1999 года Африка опередила другие рынки с ростом на 58,2%. [74] Все чаще эти телефоны обслуживаются системами, в которых голосовой контент передается в цифровом виде, такими как GSM или W-CDMA, при этом многие рынки предпочитают отказаться от аналоговых систем, таких как AMPS . [75]
Также произошли кардинальные изменения в телефонной связи за кулисами. Начиная с работы TAT-8 в 1988 году, в 1990-х годах широкое распространение получили системы на основе оптических волокон. Преимущество связи с использованием оптических волокон заключается в том, что они обеспечивают резкое увеличение емкости данных. Сам TAT-8 мог передавать в 10 раз больше телефонных звонков, чем последний медный кабель, проложенный в то время, а современные оптоволоконные кабели способны передавать в 25 раз больше телефонных звонков, чем TAT-8. [76] Это увеличение емкости данных обусловлено несколькими факторами: во-первых, оптические волокна физически намного меньше, чем конкурирующие технологии. Во-вторых, они не страдают от перекрестных помех , что означает, что несколько сотен из них можно легко объединить в один кабель. [77] Наконец, улучшения в мультиплексировании привели к экспоненциальному росту емкости данных одного волокна. [78] [79]
Содействие связи через многие современные оптоволоконные сети осуществляется с помощью протокола, известного как асинхронный режим передачи (ATM). Протокол ATM позволяет осуществлять параллельную передачу данных, упомянутую во втором абзаце. Он подходит для телефонных сетей общего пользования, поскольку он устанавливает путь для данных через сеть и связывает контракт на трафик с этим путем. Контракт на трафик по сути является соглашением между клиентом и сетью о том, как сеть должна обрабатывать данные; если сеть не может выполнить условия контракта на трафик, она не принимает соединение. Это важно, поскольку телефонные звонки могут согласовывать контракт, чтобы гарантировать себе постоянную скорость передачи данных, что гарантирует, что голос звонящего не будет задерживаться по частям или полностью отключаться. [80] Существуют конкуренты ATM, такие как многопротокольная коммутация меток (MPLS), которые выполняют аналогичную задачу и, как ожидается, вытеснят ATM в будущем. [81] [82]
В системе вещания центральная мощная вещательная башня передает высокочастотную электромагнитную волну многочисленным маломощным приемникам. Высокочастотная волна, посылаемая башней, модулируется сигналом, содержащим визуальную или звуковую информацию. Затем приемник настраивается так , чтобы улавливать высокочастотную волну, а демодулятор используется для извлечения сигнала, содержащего визуальную или звуковую информацию. Транслируемый сигнал может быть либо аналоговым (сигнал непрерывно изменяется относительно информации), либо цифровым (информация кодируется как набор дискретных значений). [41] [83]
Индустрия вещательных СМИ находится на критическом поворотном этапе своего развития, и многие страны переходят с аналогового на цифровое вещание. Этот шаг стал возможным благодаря производству более дешевых, быстрых и более производительных интегральных схем . Главным преимуществом цифрового вещания является то, что оно предотвращает ряд жалоб, общих для традиционного аналогового вещания. Для телевидения это включает устранение таких проблем, как снежные картинки , двоение и другие искажения. Они возникают из-за природы аналоговой передачи, что означает, что возмущения из-за шума будут очевидны в конечном результате. Цифровая передача преодолевает эту проблему, поскольку цифровые сигналы при приеме сводятся к дискретным значениям, и, следовательно, небольшие возмущения не влияют на конечный результат. В упрощенном примере, если двоичное сообщение 1011 было передано с амплитудами сигнала [1,0 0,0 1,0 1,0] и получено с амплитудами сигнала [0,9 0,2 1,1 0,9], оно все равно будет декодировано в двоичное сообщение 1011 — идеальное воспроизведение того, что было отправлено. Из этого примера также можно увидеть проблему с цифровыми передачами, заключающуюся в том, что если шум достаточно велик, он может значительно изменить декодированное сообщение. Используя прямую коррекцию ошибок, приемник может исправить несколько ошибок битов в полученном сообщении, но слишком много шума приведет к непонятному выводу и, следовательно, к сбою передачи. [84] [85]
В цифровом телевизионном вещании есть три конкурирующих стандарта, которые, вероятно, будут приняты во всем мире. Это стандарты ATSC , DVB и ISDB ; принятие этих стандартов на данный момент представлено на карте с субтитрами. Все три стандарта используют MPEG-2 для сжатия видео. ATSC использует Dolby Digital AC-3 для сжатия звука, ISDB использует Advanced Audio Coding (MPEG-2 Part 7), а DVB не имеет стандарта для сжатия звука, но обычно использует MPEG-1 Part 3 Layer 2. [86] [87] Выбор модуляции также различается между схемами. В цифровом аудиовещании стандарты гораздо более унифицированы, и практически все страны решили принять стандарт цифрового аудиовещания (также известный как стандарт Eureka 147 ). Исключением являются Соединенные Штаты, которые решили принять HD Radio . HD Radio, в отличие от Eureka 147, основано на методе передачи, известном как внутриполосная передача по каналу, которая позволяет цифровой информации «накладываться» на обычные аналоговые передачи AM или FM. [88]
Однако, несмотря на ожидаемый переход на цифру, аналоговое телевидение по-прежнему транслируется в большинстве стран. Исключением являются Соединенные Штаты, которые прекратили аналоговую телевизионную передачу (всеми, кроме очень маломощных телевизионных станций) 12 июня 2009 года [89] после двойной отсрочки крайнего срока перехода. Кения также прекратила аналоговую телевизионную передачу в декабре 2014 года после нескольких задержек. Для аналогового телевидения использовалось три стандарта для вещания цветного телевидения (см. карту принятия здесь ). Они известны как PAL (немецкий), NTSC (американский) и SECAM (французский). Для аналогового радио переход на цифровое радио затрудняется более высокой стоимостью цифровых приемников. [90] Выбор модуляции для аналогового радио обычно делается между амплитудной ( AM ) или частотной модуляцией ( FM ). Для достижения стереовоспроизведения для стерео FM используется амплитудно-модулированная поднесущая , а для стерео AM или C-QUAM используется квадратурная амплитудная модуляция .
Интернет — это всемирная сеть компьютеров и компьютерных сетей, которые взаимодействуют друг с другом с помощью интернет-протокола (IP). [91] Любой компьютер в Интернете имеет уникальный IP-адрес , который может использоваться другими компьютерами для маршрутизации информации к нему. Следовательно, любой компьютер в Интернете может отправить сообщение любому другому компьютеру, используя свой IP-адрес. Эти сообщения несут с собой IP-адрес исходного компьютера, что позволяет осуществлять двустороннюю связь. Таким образом, Интернет — это обмен сообщениями между компьютерами. [92]
По оценкам, 51% информации, передаваемой по двусторонним телекоммуникационным сетям в 2000 году, передавалось через Интернет (большая часть оставшейся информации (42%) — через стационарный телефон ). К 2007 году Интернет явно доминировал и охватил 97% всей информации в телекоммуникационных сетях (большая часть оставшейся информации (2%) — через мобильные телефоны ). [37] По состоянию на 2008 год [обновлять], по оценкам, 21,9% населения мира имели доступ к Интернету с самыми высокими показателями доступа (измеренными как процент от населения) в Северной Америке (73,6%), Океании/Австралии (59,5%) и Европе (48,1%). [93] С точки зрения широкополосного доступа Исландия (26,7%), Южная Корея (25,4%) и Нидерланды (25,3%) лидировали в мире. [94]
Интернет работает отчасти из-за протоколов , которые управляют тем, как компьютеры и маршрутизаторы взаимодействуют друг с другом. Природа компьютерной сетевой коммуникации предполагает многоуровневый подход, при котором отдельные протоколы в стеке протоколов работают более или менее независимо от других протоколов. Это позволяет настраивать протоколы более низкого уровня для сетевой ситуации, не изменяя способ работы протоколов более высокого уровня. Практическим примером того, почему это важно, является то, что это позволяет интернет-браузеру запускать один и тот же код независимо от того, подключен ли компьютер, на котором он запущен, к Интернету через соединение Ethernet или Wi-Fi . О протоколах часто говорят с точки зрения их места в эталонной модели OSI (на фото справа), которая появилась в 1983 году как первый шаг в безуспешной попытке создать универсально принятый набор сетевых протоколов. [95]
Для Интернета физическая среда и протокол канала передачи данных могут меняться несколько раз, пока пакеты пересекают земной шар. Это связано с тем, что Интернет не накладывает ограничений на то, какая физическая среда или протокол канала передачи данных используются. Это приводит к принятию сред и протоколов, которые лучше всего подходят для локальной сетевой ситуации. На практике большая часть межконтинентальной связи будет использовать протокол асинхронного режима передачи (ATM) (или современный эквивалент) поверх оптоволокна. Это связано с тем, что для большей части межконтинентальной связи Интернет использует ту же инфраструктуру, что и коммутируемая телефонная сеть общего пользования.
На сетевом уровне все становится стандартизированным с использованием Интернет-протокола (IP) для логической адресации . Для Всемирной паутины эти «IP-адреса» выводятся из человекочитаемой формы с использованием Системы доменных имен (например, 72.14.207.99 выводится из Google.com ). На данный момент наиболее широко используемой версией Интернет-протокола является версия четыре, но переход на версию шесть неизбежен. [96]
На транспортном уровне большинство коммуникаций использует либо протокол управления передачей (TCP), либо протокол пользовательских датаграмм (UDP). TCP используется, когда необходимо, чтобы каждое отправленное сообщение было получено другим компьютером, тогда как UDP используется, когда это просто желательно. При использовании TCP пакеты повторно передаются, если они потеряны, и размещаются в порядке, прежде чем они будут представлены на более высоких уровнях. При использовании UDP пакеты не упорядочиваются и не передаются повторно, если они потеряны. Пакеты TCP и UDP несут с собой номера портов , чтобы указать, какое приложение или процесс должен обрабатывать пакет. [97] Поскольку определенные протоколы уровня приложений используют определенные порты , сетевые администраторы могут манипулировать трафиком в соответствии с определенными требованиями. Примерами являются ограничение доступа в Интернет путем блокирования трафика, предназначенного для определенного порта, или влияние на производительность определенных приложений путем назначения приоритета .
Выше транспортного уровня есть определенные протоколы, которые иногда используются и свободно вписываются в сеансовый и презентационный уровни, в частности, протоколы Secure Sockets Layer (SSL) и Transport Layer Security (TLS). Эти протоколы гарантируют, что данные, передаваемые между двумя сторонами, остаются полностью конфиденциальными. [98] Наконец, на прикладном уровне находятся многие из протоколов, с которыми пользователи Интернета знакомы, такие как HTTP (просмотр веб-страниц), POP3 (электронная почта), FTP (передача файлов), IRC (интернет-чат), BitTorrent (обмен файлами) и XMPP (мгновенный обмен сообщениями).
Voice over Internet Protocol (VoIP) позволяет использовать пакеты данных для синхронной голосовой связи. Пакеты данных помечаются как пакеты голосового типа и могут быть приоритизированы сетевыми администраторами, чтобы синхронный разговор в реальном времени был менее подвержен конфликтам с другими типами трафика данных, которые могут быть отложены (например, передача файлов или электронная почта) или буферизованы заранее (например, аудио и видео) без ущерба. Такая приоритизация хороша, когда сеть имеет достаточную емкость для всех VoIP-вызовов, происходящих одновременно, и сеть включена для приоритизации, например, частная корпоративная сеть, но Интернет, как правило, не управляется таким образом, и поэтому может быть большая разница в качестве VoIP-вызовов через частную сеть и через общедоступный Интернет. [99]
Несмотря на рост Интернета, характеристики локальных сетей (LAN) — компьютерных сетей, которые не простираются дальше нескольких километров — остаются отличительными. Это связано с тем, что сети такого масштаба не требуют всех функций, связанных с более крупными сетями, и часто более рентабельны и эффективны без них. Когда они не подключены к Интернету, они также обладают преимуществами конфиденциальности и безопасности. Однако преднамеренное отсутствие прямого подключения к Интернету не обеспечивает гарантированной защиты от хакеров, военных сил или экономических сил. Эти угрозы существуют, если существуют какие-либо методы удаленного подключения к локальной сети.
Глобальные сети (WAN) — это частные компьютерные сети, которые могут простираться на тысячи километров. Опять же, некоторые из их преимуществ включают конфиденциальность и безопасность. Главными пользователями частных локальных сетей и WAN являются вооруженные силы и разведывательные агентства, которые должны хранить свою информацию в безопасности и секретности.
В середине 1980-х годов появилось несколько наборов протоколов связи, чтобы заполнить пробелы между уровнем канала передачи данных и уровнем приложений эталонной модели OSI . К ним относятся AppleTalk , IPX и NetBIOS , причем доминирующим протоколом в начале 1990-х годов был IPX из-за его популярности среди пользователей MS-DOS . TCP/IP уже существовал в то время, но обычно использовался только крупными государственными и исследовательскими учреждениями. [100]
По мере роста популярности Интернета и необходимости маршрутизации его трафика в частные сети, протоколы TCP/IP заменили существующие технологии локальных сетей. Дополнительные технологии, такие как DHCP , позволили компьютерам на базе TCP/IP самостоятельно настраиваться в сети. Такие функции также существовали в наборах протоколов AppleTalk/IPX/NetBIOS. [101]
В то время как Asynchronous Transfer Mode (ATM) или Multiprotocol Label Switching (MPLS) являются типичными протоколами передачи данных для более крупных сетей, таких как WAN; Ethernet и Token Ring являются типичными протоколами передачи данных для LAN. Эти протоколы отличаются от предыдущих тем, что они проще, например, они исключают такие функции, как гарантии качества обслуживания , и предлагают управление доступом к среде . Оба эти различия позволяют создавать более экономичные системы. [102]
Несмотря на скромную популярность Token Ring в 1980-х и 1990-х годах, практически все локальные сети теперь используют либо проводные, либо беспроводные Ethernet-средства. На физическом уровне большинство реализаций проводного Ethernet используют медные витые пары (включая распространенные сети 10BASE-T ). Однако некоторые ранние реализации использовали более тяжелые коаксиальные кабели, а некоторые недавние реализации (особенно высокоскоростные) используют оптоволокно. [103] При использовании оптоволокна необходимо проводить различие между многомодовыми и одномодовыми волокнами. Многомодовые волокна можно рассматривать как более толстые оптоволокна, устройства для которых дешевле производить, но которые страдают от меньшей используемой полосы пропускания и худшего затухания, что подразумевает худшую производительность на больших расстояниях. [104]
что век электроники начался с изобретения в 1902 году британцем Джоном Флемингом (им же был придуман термин «электроника») вакуумного диодного клапана, который сразу же нашел применение в области радио.
