Лекция 22. Многоканальные системы передачи
реклама
РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ РТФ Радиотехнический институт УГТУ – УПИ Инновационная образовательная программа Основы построения телекоммуникационных систем и сетей: краткий курс лекций Автор курса лекций: Удинцев Владимир Николаевич, канд. техн. наук, доцент кафедры ТСС УГТУ-УПИ Екатеринбург 2008 2 Основы построения телекоммуникационных систем и сетей: краткий курс лекций лекция 22 Многоканальные системы передачи Цели лекции: Знакомство с основными видами многоканальных систем передачи сообщений, услугами и службами электросвязи; Изучение основных принципов построения многоканальных систем передачи; Знакомство с основными понятиями и терминами. 4 Основные термины Телекоммуникации – область науки и техники, которая включает в себя совокупность технологий, средств, способов и методов человеческой деятельности, направленных на создание условий для обмена информацией на расстоянии. Транспортная (первичная) сеть взаимоувязанной сети связи – совокупность типовых физических цепей, типовых каналов передачи и сетевых трактов системы электросвязи, образованная на базе сетевых узлов, сетевых станций, оконечных устройств первичной сети и соединяющих их линий передачи систем электросвязи. Канал электросвязи - совокупность технических устройств (преобразователей), обеспечивающих передачу первичных электрических сигналов на расстояние. 5 Основные термины Сообщение – форма представления информации, удобная для передачи на расстояние. Служба электросвязи – комплекс средств, обеспечивающих предоставление абонентам (пользователям) услуг связи. Сигнал – физический процесс, отображающий передаваемое сообщение. Электрический сигнал – сигнал, отображающий передаваемое сообщение электрической величиной. Емкость системы передачи – число каналов ТЧ, образуемых многоканальной системой передачи. 6 Основные термины Первичные электрические сигналы – сигналы, подаваемые на вход систем электросвязи. Пропускная способность линии связи – максимальное количество информации, передаваемое по линии связи за единицу времени. Частотный спектр – совокупность ряда гармонических составляющих (гармоник) сложного сигнала. Вторичные сигналы – сигналы в системах связи, получаемые в результате преобразования первичных и способные проходить по данной среде распространения. Динамический диапазон сигнала – отношение максимально возможной к минимально возможной мощности или отношение максимально возможного к минимально возможному напряжению сигнала. 7 Многоканальные системы передачи Общие принципы построения История создания Стремление к более эффективному использованию линейных сооружений привело к созданию систем передачи, позволяющих "уплотнить" линию связи путем создания на ней нескольких каналов передачи, работающих одновременно и независимо друг от друга. Схему "уплотнения линии связи", т.е. одновременную передачу по одной физической цепи телеграфного и телефонного сигналов предложил еще в 1880 г. русский ученый Г.Г. Игнатьев. В 1893 году, в продолжение его работ, Е.И. Гвоздев организовал одновременную передачу одного телефонного и двух телеграфных сигналов по одной физической цепи. Однако, первая промышленная система "многократного телефонирования" для передачи трех телефонных каналов по одной воздушной линии – многоканальной передачи СМТ – 34 была создана в России только в 1934 году. Первая 12 - канальная аппаратура "уплотнения" была создана в 1940 г, а серийный выпуск и применение ее на линиях связи начат только в 1951 г. Отсюда понятна сложность таких систем. Рассмотренные ранее системы связи обеспечивают связь лишь между одним источником и одним приемником сообщений (корреспондентами) и поэтому являются одноканальными. По физической проводной линии связи возможна одновременная передача нескольких сообщений (одновременного образования нескольких каналов связи), если применяется принцип частотного, временного или кодового уплотнения линии связи с помощью многоканальной системы передачи. 9 Стандартные каналы В настоящее время существуют проводные и беспроводные системы передачи, позволяющие организовать по одной физической цепи (в одном стволе радиосистемы) от нескольких десятков до несколько тысяч стандартных каналов передачи сообщений. Поскольку телефонные сообщения ранее имели преобладающий вес в общих потоках сообщений, именно канал тональной частоты (ТЧ) был принят в качестве основного стандартного канала многоканальных систем передачи. Число каналов ТЧ, образуемых многоканальной системой, принято называть емкостью системы передачи. Характеристики каналов передачи те же, что и для простых линий передачи: остаточное и переходное затухание, амплитудно – частотная и фазо – частотная характеристики, коэффициенты частотных и нелинейных искажений, помехозащищенность, вероятность ошибки и т. п. 10 Стандартные каналы Стандартным каналом электросвязи (каналом ТЧ) называется совокупность технических средств, обеспечивающих передачу сигналов в полосе частот 0,3 – 3,4 кГц (телефонный канал или канал тональной частоты – ТЧ). Основной стандартный цифровой канал (ОЦК) имеет скорость передачи цифрового потока 64 кбит/с и сначала был введен только для цифровой телефонной связи. По методу разделения каналов различают системы передачи с частотным (ЧРК), временным (ВРК) и кодовым (КРК) разделением каналов. 11 Стандартные системы В системах передачи с ЧРК (FDM – Freguency Division Multiplexing, FDMA – Freguency Division Multiply Access) обычно передаются непрерывные (аналоговые) сигналы, поэтому такие системы принято также называть аналоговыми системами передачи (АСП). Основные достоинства аналоговых систем: простота в эксплуатации, высокая надежность, хорошее качество передачи и большая дальность связи. Основные недостатки: низкая помехозащищенность и уменьшение отношения сигнал/шум по мере увеличения протяженности линии связи. Системы с временным и кодовым разделением каналов (TDM – Time Division Multiplexing, TDMA – Time Division Multiply Access) используются преимущественно для передачи цифровых потоков информации, поэтому принято их называть цифровыми системами передачи (ЦСП). По сравнению с АСП, ЦСП обеспечивают более высокое качество передачи сообщений, особенно в условиях сильных помех, и, практически, неограниченную дальность связи. 12 Структура многоканальной системы Устройства, используемые сразу для всех каналов, образуют линейный тракт системы передачи, который состоит из ООСП – оконечного оборудования системы передачи (аппаратуры уплотнения), ОАЛП – оконечной аппаратуры линии передачи и среды распространения – направляющей системы линии связи. 13 Структура многоканальной системы Оконечное оборудование системы передачи (ООСП) предназначено для преобразования исходных (первичных) сигналов в групповой сигнал, содержащий все первичные сигналы. Оконечная аппаратура линии передачи (ОАЛП) предназначена для преобразования группового сигнала в линейные (вторичные) сигналы, которые возможно передавать по той или иной направляющей системе линии передачи. Промежуточное оборудование: необслуживамые, полуобслуживаемые и обслуживаемые усилительно-регенерационные пункты (НУРП, ПУРП и ОУРП, соответственно) предназначено для восстановления амплитуды (усиления) и формы (регенерации) искаженного при распространении в направляющей среде линейного сигнала. Оборудование выделения каналов (ОВК) предназначено для обеспечения связью абонентов, расположенных вдоль трассы прохождения линии связи. 14 Общие принципы построения оборудования Необслуживамые, полуобслуживаемые и обслуживаемые усилительно-регенерационные пункты (НУРП, ПУРП и ОУРП, соответственно) различают по наличию или отсутствию источника электропитания – НУРП получает питание дистанционно, а также наличию или отсутствию обслуживающего персонала – в ПУРП его нет. Оконечное и промежуточное оборудование систем передачи может быть построено по индивидуальному и групповому принципам. При индивидуальном принципе построения все устройства системы передачи (оконечные и промежуточные) выполняются индивидуальными для каждого канала и повторяются столько раз, сколько каналов имеет система. При групповом способе построения небольшая часть оборудования также остается отдельной (индивидуальной) для каждого канала, но большая часть оконечного и все промежуточное оборудование является общим для всех каналов системы. При таком построении появляются группы сигналов и возникают групповые тракты и иерархии систем передачи. Совокупность преобразовательного оборудования всех указанных групп называется каналообразующей аппаратурой (КОАП). 15 Аналоговые системы передачи Общие принципы построения Стандартные групповые тракты Комитетом по стандартизации МСЭ-Т разработаны стандарты на иерархический принцип построения всех систем передачи, используемых для сетей связи общего пользования. Так, в соответствии с рекомендациями МСЭ-Т аппаратура аналоговых систем передачи должна иметь число каналов ТЧ, кратное 12. Поэтому в аналоговых многоканальных системах передачи формируются следующие стандартные аналоговые групповые тракты: Первичный - 12 каналов ТЧ (рабочая полоса частот 60-108 кГц); Вторичный - 60 каналов ТЧ (рабочая полоса частот 312-552 кГц); Третичный - 300 каналов ТЧ (полоса частот 812-2044 кГц); Четверичный – 900 каналов ТЧ (полоса частот 8516-12388 кГц). Каждый из указанных трактов, кроме первичного, образуется путем объединения пяти групповых трактов меньшей емкости с переносом их рабочих частот в более высокочастотную область, образуя тем самым иерархическую структуру или иерархию. 17 Иерархия аналоговых систем передачи с ЧРК 18 Групповые сигналы Существуют и более мощные системы на 1800, 1920, 3600, 5400 и 10800 каналов ТЧ, например, системы К-1920П, К-3600, К-5400 с трактами на 1920, 3600 и 5400 каналов ТЧ соответственно. Начиная с четверичного группового тракта принцип кратности пяти нарушается. При частотном разделении каналов (ЧРК) в системе передачи производится перенос спектра сигналов стандартных каналов ТЧ в сторону более высоких частот, причем каждому каналу отводится строго индивидуальная полоса частот. С помощью преобразователей частоты полоса частот каждого канала переносится без изменения ширины исходного спектра в заданный диапазон частот и передается широкополосный суммарный (групповой) сигнал (ансамбль). На приемной стороне производится разделение этого группового сигнала путем фильтрации на отдельные частотные каналы. Произведя обратный перенос спектра частот канала, получаем восстановленное сообщение. Полоса частот, занимаемая всеми каналами после переноса, образует полосу частот группового сигнала, стандартизована и должна находиться в пределах полосы пропускания (частотного диапазона) используемой линии связи, образующей вместе с каналообразующей аппаратурой групповой тракт системы передачи. 19 Групповые сигналы Принцип переноса частотных полос каналов в полосу частот системы передачи (группового сигнала) поясняет рисунок. 20 Схема формирования группового сигнала первичной группы 21 Формирование группового сигнала первичной группы Групповой тракт имеет отдельные каналы приема и передачи, т.е. является четырехпроводным. Каждый канал ТЧ включен в каналообразующую аппаратуру по двухпроводной схеме через дифсистему А1. Каждый передающий полукомплект содержит ограничитель амплитуды входных сигналов AU1, модулятор U1 и полосовой фильтр Z1. Каждый приемный полукомплект содержит полосовой фильтр Z3, демодулятор U2, фильтр низких частот Z2 и усилитель низкой частоты A2. На модуляторы и демодуляторы каждого канала от генераторного оборудования G1 подаются соответствующие несущие частоты, кратные 4 кГц. Так, на модулятор первого канала подается частота 108 кГц, второго 104 кГц и т.п. Если на вход, например, первого канала подан сигнал тональной частоты в полосе частот 0,3 – 3,4 кГц, то через дифсистему 1A1 и усилительограничитель 1AU1 он подается на модулятор 1U1, на выходе которого появляется напряжение нижней боковой полосы 108 – (0,3 – 3,4) кГц и верхней боковой полосы 108 + (0,3 – 3,4) кГц. Поскольку полосовой фильтр 1Z1 пропускает только частоты нижней боковой полосы, то на сумматор А13 попадет только полоса частот 108 – (0,3 – 3,4) кГц. Аналогично работают и остальные 11 каналов. 22 Цифровые системы передачи Общие принципы построения плезиохронных систем Временное разделение каналов По методу разделения каналов различают цифровые системы передачи с временным (ВРК) и кодовым (КРК) разделением каналов. Временное разделение каналов (ВРК) заключается в увеличении скорости передачи информации по физической цепи. N дискретных сообщений запоминается в специальном буфере и затем передается со скоростью в N раз большей, чем их количество. При работе в реальном масштабе времени запоминаются небольшие равные порции информации, затем из них формируется и передается кадр передачи, состоящий из отдельных временных интервалов – временных каналов, далее процесс повторяется. Поскольку время передачи кадра равно времени накопления информации в буфере канала, то получается непрерывная передача информации в реальном масштабе времени с задержкой на время, равное времени передачи кадра. Если суммарная задержка составляет не более чем 0,3 с, она не заметна для абонентов. При ВРК, как и в случае АСП, происходит расширение спектра группового сигнала, т. е. для передачи группового сигнала требуется полоса частот канала передачи (пропускная способность) в N раз большая, чем для каждого отдельного канала системы передачи. 24 Временное разделение каналов 25 Временное разделение каналов Временной способ разделения каналов основан на поочередной передаче сигналов различных каналов по одной линии связи. В этом случае непрерывный сигнал преобразуется в последовательность импульсов с изменяющейся по закону изменения непрерывного сигнала амплитудой. Такой сигнал принято называть амплитудно – импульсно – модулированным (АИМ) сигналом, а процесс преобразования непрерывного сигнала в АИМ сигнал – дискретизацией. При объединении индивидуальных (канальных) сигналов и поочередной их передаче в линии связи образуется групповой сигнал. Интервал времени между ближайшими импульсами группового сигнала называется канальным интервалом Тк. Интервал времени между ближайшими импульсами индивидуальных сигналов называется циклом передачи Тц. В каждом цикле размещается по одному (или несколько) импульсу всех индивидуальных сигналов, смещенных относительно друг друга на время канального интервала. От соотношения Тц и Тк зависит число импульсов, размещаемое в цикле передачи, т.е. число образуемых временных каналов. Чем меньше будет длительность канального интервала, тем шире будет частотный спектр, занимаемый таким сигналом. 26 Временное разделение каналов Системы передачи с АИМ не получили широкого распространения из-за низкой помехоустойчивости. Любая помеха в канале связи в первую очередь изменяет амплитуду сигналов, а в АИМ – сигналах именно амплитуда является информационным параметром сигнала. Причем, вследствие малой ширины импульсов (по сравнению с исходным аналоговым сигналом) Тк , малой получается и мгновенная мощность сигнала, что приводит к искажениям уже при достаточно малых мощностях помех. Практическое применение нашли системы передачи с ВРК, получившие название систем с импульсно – кодовой модуляцией (ИКМ) или цифровых систем передачи (ЦСП). Главное их отличие от АИМ – систем состоит в том, что в систему передачи добавлены кодирующее и декодирующее устройства для группового АИМ – сигнала. Операция кодирования заключается в замене значений амплитуд АИМ – сигнала соответствующим двоичным числом – кодовой комбинацией (или ИКМ – сигналом). Такой сигнал, поскольку он представляет собой числовое значение мгновенной амплитуды и представлен обычно в виде числового кода, называют также цифровым. 27 Импульсно – кодовая модуляция Передаваемые по каналу связи ИКМ – сигналы обладают значительно более высокой помехоустойчивостью, так как представляют собой простейшие двоичные сигналы, информационный параметр которых заключен только в их наличии или отсутствии в данный момент времени, а амплитуда импульса играет лишь вспомогательную роль. Кроме того, параметры импульсов в этом случае постоянны и известны заранее, а, поэтому легко восстанавливаются операцией регенерации с помощью специальных устройств – регенераторов, размещаемых вдоль трассы линии связи и на приемном пункте. По сравнению с системами с ЧРК, ЦСП обеспечивают более высокое качество передачи в условиях сильных помех и практически неограниченную дальность связи. Для сравнительной оценки емкости цифровых систем передачи, как и в аналоговых системах, вводят понятие основного цифрового канала (стандартного канала ЦСП) со скоростью потока 64 кбит/с. 28 Цифровые системы передачи Впервые ЦСП были разработаны в США в 1947 г. фирмой "Белл", но были слишком громоздки и ненадежны в эксплуатации, поэтому не нашли практического применения. Первые промышленные ИКМ - системы были разработаны и введены в эксплуатацию в США только в начале 60-х годов и предназначались для передачи 24 сигналов ТЧ (ИКМ-24). Скорость передачи цифрового потока в линейном тракте такой системы составляла 1544 кбит/с. Для нормальной ее работы пришлось ввести принудительную коррекцию скоростей цифровых потоков на передающей и приемной ее части, поэтому такие системы получили название плезиохронных (почти синхронных). Вслед за США система такого же типа была разработана в Японии. Эти системы легли в основу американо-японской иерархии плезиохронных цифровых систем передачи. Первую в Европе ИКМ - систему удалось ввести в эксплуатацию в 1962 г. во Франции. Однако эта система, в отличие от разработанных в США и Японии, предназначалась для организации 30 каналов ТЧ (ИКМ-30) и имела скорость передачи цифрового потока в линейном тракте 2048 кбит/с. 29 Структура кадров передачи 30 Плезиохронная цифровая иерархия Системы такого типа составили основу другой (европейской) плезиохронной (ПЦИ или Plesiohronous Digital Hierarhy – PDH) цифровой иерархии (ЦСП) со скоростями передачи (Рекомендация ITU-T G.702): Основной – один ИКМ канал со скоростью 64 кбит/с; Субпервичный – 6 основных каналов, 0,480 ± 50∙10-6 Мбит/с; Полупервичный – 15 ИКМ каналов 1,024 ± 50∙10-6 Мбит/с; Первичный – 30 ИКМ каналов, 2,048 Мбит/с, поток Е1; Вторичный – 120 ИКМ каналов, 8,448 Мбит/с, поток Е2; Третичный – 480 ИКМ каналов, 34,468 Мбит/с, поток Е3; Четвертичный – 1920 каналов, 139,264 Мбит/с, поток Е4. 31 Иерархия плезиохронных цифровых систем передачи 32 Плезиохронная цифровая иерархия Все цифровые тракты иерархии построены на базе основного цифрового канала (ОЦК). Первичные ЦСП строятся на принципе импульсно-кодовой модуляции передаваемых непрерывных сигналов. При этом в них осуществляется аналого-цифровое преобразование входных сигналов в передающей части аппаратуры и обратное цифро-аналоговое преобразование в приемной части. Цифровые системы передачи второй и более высоких ступеней иерархии строятся на принципе объединения — разделения цифровых потоков, сформированных в ЦСП более низких ступеней иерархии. В субпервичном и первичном трактах объединение основных цифровых каналов блоками временного группообразования ВГ осуществляется по принципу чередования 8-битовых (байтовых) комбинаций цифровых потоков ОЦК, получаемых с помощью аппаратуры аналого-цифрового преобразования АЦО. Для передачи служебной информации в ВГ дополнительно образуется один (в субпервичных) или два (в первичном) ОЦК. Фактически субпервичный тракт имеет 7, полупервичный 16, а первичный – 32 ОЦК. Начиная со вторичного тракта объединение цифровых потоков осуществляется по принципу чередования бит каждого потока, причем в общем потоке дополнительно образуется еще четыре временных интервала для передачи служебной информации (блоки ВВГ – вторичного, ТВГ – третичного и ЧВГ – четвертичного группообразования). Оконечная аппаратура линейного тракта (ОАЛТ) формирует линейный кодированный сигнал соответствующих групп для передачи по линии связи (направляющей системе). 33 Схема формирования группового сигнала первичной группы (поток Е1) 34 Синхронизация Синхронизация – это процесс установления и поддержания определенных временных соотношений между двумя и более процессами. Различают поэлементную, групповую и цикловую синхронизации - это синхронизация переданного и принятого цифровых сигналов данных, при которых устанавливаются и поддерживаются требуемые фазовые соотношения между значащими моментами переданных и принятых единичных элементов сигналов, групп единичных элементов этих сигналов и циклов их временного объединения. Поэлементная синхронизация обеспечивает на приеме разделение одного единичного элемента от другого и тем самым создает наилучшие условия для его регистрации. Групповая синхронизация обеспечивает разделение принятой последовательности на кодовые комбинации. Цикловая синхронизация обеспечивает разделение циклов временного объединения элементов на приеме. 35 Синхронизация В цифровой сети всегда возникает нестабильность сигналов синхронизации по физическим (влияние внешних электрических помех, изменения физических параметров линии передачи) и алгоритмическим причинам. Результирующую нестабильность тактовой частоты называют фазовым дрожанием синхросигнала или джиттером. В зависимости от его частоты различают высокочастотное фазовое дрожание (выше 10 Гц), называемое собственно джиттером, и низкочастотное (ниже 10 Гц), называемое дрейфом фазы или вандером. Джиттер наиболее сильно влияет на фазовую синхронизацию и почти не влияет на систему синхронизации. Вандер может накапливаться и значительно влиять на систему синхронизации, вплоть до потери синхронизации. 36 Синхронизация Основными физическими причинами нестабильности частоты являются: электромагнитная интерференция; шумы и помехи, воздействующие на цепь синхронизации в приемнике; изменения длины линейного тракта и скорости распространения синхросигналов; доплеровские сдвиги сигналов подвижных оконечных устройств; нерегулярное поступление синхросигнала. Из-за шумов и помех различной природы и структуры повышается вероятность неправильного принятия сигнала синхронизации, в результате чего система фазовой автоподстройки частоты может выйти из режима захвата. То есть помехи и шумы влияют на фазовую синхронизацию и не приводят к появлению вандера. К алгоритмической причине нестабильности частоты относится процесс выравнивания скоростей передачи с использованием битового или байтового стаффинга, например, смещения указателей. 37 Принципы синхронизации Принципы синхронизации неизменны для всех ступеней плезиохронной иерархии. Системы PDH используют принцип плезиохронного (или почти синхронного) мультиплексирования, согласно которому для мультиплексирования, например, четырех потоков Е1 (2048 кбит/с) в один поток Е2 (8448 кбит/с) сначала производится процедура выравнивания тактовых частот входящих и исходящих сигналов методом битстаффинга. Если импульсы записи (входящий поток) идут быстрее, чем импульсы считывания (исходящий поток), то интервалы времени между ними уменьшаются и, при достижении некоторого по-рога, записывается "лишний" импульс, что приводит к скачкообразному отставанию импульсов записи от импульсов считывания. Таким образом, достигается согласование скоростей записи и считывания информации из буферной памяти, которое в этом случае называется "положительным" (+1 равно вставке лишнего импульса). Если импульсы записи идут медленнее, то приходиться исключать из входного потока информационный импульс, выравнивая скорости входного и выходного потоков. Такое согласование получило название "отрицательного". 38 Принципы синхронизации По служебному каналу передается информация о факте согласования скоростей ("1" вставка лишнего импульса, "0" нет вставки). По второму служебному каналу одновременно посылается команда "Вид согласования": "111" положительное согласование скоростей, "000" отрицательное согласование скоростей потоков. По третьему служебному каналу при необходимости передается значение пропущенного импульса. В результате при демультиплексировании необходимо производить пошаговый процесс восстановления информации в исходных каналах. Например, при передаче потока Е1 по сети PDH в тракте ЕЗ необходимо сначала провести пошаговое мультиплексирование Е1-Е2-ЕЗ, а затем – пошаговое демультиплексирование ЕЗ-Е2-Е1 в каждом пункте выделения потока Е1 Такое построение систем передачи приводит к затруднениям при вводе или выводе цифровых потоков в промежуточных пунктах и сложной многоступенчатой схеме восстановления синхронизма при сбоях в работе, что вызывает длительную потерю их работоспособности. 39 Цифровые системы передачи Общие принципы построения синхронных систем Синхронная цифровая иерархия Указанные недостатки, а также ряд других факторов привели к разработке в США синхронной оптической сети SONET, а в Европе почти одновременно – синхронной цифровой иерархии (СЦИ или SDH – Synchronous Digital Hierarchy). Поскольку не удалось согласовать скорости передачи SONET и SDH из-за неудачно выбранной скорости передачи первичного тракта SONET STS-1 (Synchronous Transport Signal -1), то было принято решение – отказаться от создания отдельной сети SONET и создать на её основе сеть SONET/SDH с согласованной скоростью передачи первого уровня иерархии ОС-1 (51,84 Мбит/с) этой СЦИ. В результате скорость передачи 155,520 Мбит/с OC-3 SONET/SDH стала соответствовать скорости STM-1 (Synchronous Transport Module-1) иерархии SDH и появилась возможность их совместной работы. Скорости передачи цифровых синхронных иерархий SDH (Рекомендация ITU-T G.707) и SONET/SDH представлены ниже. Как следует из таблиц, выделенные жирным шрифтом скорости передачи систем SDH и SONET/SDH совпадают. Это обеспечивает их полную совместимость и позволяет считать SONET/SDH частью стандарта SDH. 41 Синхронная цифровая иерархия Синхронная оптическая сеть SONET Уровень иерархии SONET/SD H 1 2 3 4 5 6 7 8 Синхронная цифровая иерархия SDH Тип Скорость Уровень синхронного передачи иерархии транспортного Мбит/с SDH сигнала Тип синхронного транспортного модуля Скорость передачи Мбит/с 1 STM – 1 155,520 2 STM – 4 622,080 3 STM – 8 1244,160 ОС-1 (STS-1) 51,840 ОС-3 (STS-3) 155,520 ОС-9 (STS-9) 466,560 ОС-12 (STS-12) 622,080 ОС-18 (STS-18) 933,120 ОС-24 (STS-24) 1244,160 4 STM – 12 1866,240 ОС-36 (STS-36) 1866,240 5 STM – 16 2488,320 ОС-48 (STS-48) 2488,320 6 STM – 64 9953,280 42 Синхронная цифровая иерархия SDH Синхронная цифровая иерархия (SDH) является новой системой передачи данных, предназначенной для высокоскоростной связи по оптическим линиям. SDH изначально предназначена для построения сетей связи, обеспечивает совместимость средств различных изготовителей, имеет стандартные интерфейсы и встроенные функции контроля работы, администрирования, технического обслуживания и управления. Преимущества данной технологии заключаются в возможности реализации разнообразных сетевых топологий и построении отказоустойчивой, масштабируемой и хорошо управляемой сетевой инфраструктуры. Системы SDH представляют интерес как для операторов телефонных сетей (проводных и сотовых), так и универсальных операторов связи, поскольку изначально рассчитана на передачу всех сигналов систем плезиохронной цифровой иерархии, а также всех действующих служб, в том числе и с асинхронными способами доставки сообщений (АТМ). 43 Синхронная цифровая иерархия SDH Основным функциональным узлом систем SDH является Пользосинхронный мультиплексор (SMUX). Функционально синх- ватели ронный мультиплексор имеет два набора интерфейсов: трибный или трибутарный (пользовательский) и агрегатный (линейный). Через пользовательские интерфейсы к мультиплексору подключаются точки доступа (пользователи), агрегатный интерфейс отвечает за создание необходимых межузловых соединений между мультиплексорами. Оптическая сеть 44 Синхронная цифровая иерархия SDH Агрегатный интерфейс имеет четыре симплексных (два приемных и два передающих) оптических канала для подключения SMUX к сети. Трибные интерфейсы могут иметь множество стандартных интерфейсов, в том числе и оптических, например, для потоков Е1 или субскоростей N∙64 Кбит/с систем PDH, открытый интерфейс V5 для систем сигнализации и управления сетью, широкополосные интерфейсы сетей передачи данных, мультимедийных или телевизионных сигналов и т. п. Мультиплексоры SDH выполняют как функции собственно мультиплексора, так и функции устройств терминального доступа, позволяя подключать каналы PDH непосредственно к своим входным портам и являются универсальными и гибкими устройствами, позволяющие выполнять коммутацию потоков сообщений, концентрацию нагрузки и регенерацию сигналов. Это оказывается возможным в силу модульной конструкции SDH мультиплексора - SMUX, при которой выполняемые функции определяются лишь возможностями системы управления и составом модулей, включённых в состав мультиплексора. Принято выделять два основных типа SMUX: терминальный мультиплексор и мультиплексор ввода/вывода. 45 Терминальный мультиплексор Терминальный мультиплексор ТМ может либо вводить каналы, т.е. коммутировать их со входа трибного интерфейса на линейный выход, или выводить каналы, т.е. коммутировать их с линейного входа на выход трибного интерфейса (оконечное устройство). Электрические сигналы Электрические или оптические сигналы 46 Мультиплексор ввода/вывода Мультиплексор ввода/вывода ADM дополнительно к возможностям, обеспечиваемым ТМ, позволяет осуществлять сквозную коммутацию выходных потоков в обоих направлениях, а также осуществлять замыкание канала приёма на канал передачи на обеих сторонах ( "восточный" и "западный") в случае выхода из строя одного из направлений. Наконец, он позволяет в случае аварийного выхода из строя мультиплексора пропускать основной оптический поток мимо него в обходном режиме. 47 Мультиплексоры SDH Задача сбора входных потоков (трибов) через каналы доступа в агрегатный блок, пригодный для транспортировки по сети SDH, решается терминальными мультиплексорами (ТМ). Задача транспортировки агрегатных блоков по сети с возможностью ввода/вывода входных/выходных потоков решается мультиплексорами ввода/вывода (Add Drop Multiplexer – ADM). Агрегатный интерфейс разделяется на логи-ческий, управляющий информационными потоками в сети связи, и физический, управляющий информационными потоками в конк-ретной физической среде. Таким образом, агрегатный интерфейс обеспечивает транспортные каналы для доставки сообщений пользователей, поступающих в систему SDH через трибутарные (пользовательские) интерфейсы. Такое построение SMUX обеспечивает в системах SDH базовый набор известных стандартных сетевых топологий: "точка – точка", "цепочка", "двойное кольцо" и "звезда" (радиальная). 48 Принцип контейнерных перевозок Синхронная цифровая иерархия систем передачи уже сразу создавалась прозрачной для транспортирования пользовательских цифровых потоков с разными скоростями – "перевозки" информации. Это обеспечивается применением специальных транспортных модулей (Synchronous Transport Module – STM) с байтовой структурой и принципов контейнерных перевозок. При передаче по сети SDH информация вкладывается в специальные структуры, называемые виртуальными контейнерами (VC). Все дальнейшие операции с контейнерами производятся независимо от их содержания, чем достигается "прозрачность", т. е. независимость сети SDH от форматов сообщений пользователей. 49 Принцип контейнерных перевозок Эти контейнеры состоят из двух частей: Собственно контейнера (C - Container), где размещается "полезная нагрузка" – передаваемая информация; Заголовка (POH – Path Over Head), который содержит вспомогательную информацию о канале, управляющую информацию, связанную с маршрутом передачи и т. п. Например, контейнер С-4 содержит 9 строк по 260 байт. При добавлении еще одного столбца – маршрутного или трактового заголовка РОН он будет содержать 9 строк по 261 байту, и называться виртуальным контейнером VC-4. 50 Принцип контейнерных перевозок Чтобы поместить VC-4 в транспортный модуль STM-1, к нему добавляют AU-указатель PTR (PoinTeR), определяющий начало записи полезной нагрузки и называют "административным блоком" АU-4 (Administrative Unit). Добавляя к АU-4 "секционный заголовок" SON (RSON и MSON) получают синхронный транспортный модуль STM-1 Заголовок мультиплексорной секции MSON обеспечивает доставку транспортного модуля к тому мультиплексору сети, где этот транспортный модуль будет "разгружен" и содержит его адрес. Поэтому он так и называется: секционный заголовок мультиплексора сети (MSON). Секционный заголовок регенератора (RSON) содержит адреса регенераторов, где будет осуществляться регенерирование цифрового потока данного транспортного модуля. Один цикл передачи в системах SDH представляет собой считывание из буферной памяти и передачу в линейный тракт такого транспортного модуля. Порядок передачи байтов – слева направо, сверху вниз, продолжительность цикла передачи 125 мкс (частота повторения 8 кГц), линейная скорость передачи 8 бит ∙ 8 кГц ∙ 9 ∙ 270 = 155 520 Кбит/с. 51 Принцип контейнерных перевозок Структура синхронного транспортного модуля STM-1 52 Принцип контейнерных перевозок Синхронный транспортный модуль SТМ-1 можно загрузить, например, цифровым потоком Е4 со скоростью 139,264 Мбит/с или цифровыми потоками Е1 плезиохронной цифровой иерархии. Для этого цифровые потоки "упаковывают" в контейнеры: Е4 в С4, а Е1 в С12. В модуле STM-1 можно разместить до 63 виртуальных контейнеров VC-12. Виртуальный контейнер VC-12 снабжают указателем PTR и называют этот блок "транспортным блоком TU-12" (Tributary Unit). Далее три транспортных блока TU-12 объединяют в группу (мультиплексируют) TUG-2 (Tributary Unit Group). Затем семь TUG-2 мультиплексируют в группу транспортных блоков TUG-3, а три группы TUG-3 мультиплексируют и помещают в виртуальный контейнер VC-4, который, в свою очередь, помещается в транспортный модуль STM-1. Для создания более скоростного потока четыре модуля STM-1 путем побайтового мультиплексирования объединяются в модуль STM-4, далее точно таким же образом модули STM-4 объединяются в модуль STM-8 или STM-12, STM-16 и т. д. 53 54 Особенности синхронной цифровой иерархии SDH Основное отличие системы SDH от системы PDH – синхронное мультиплексирование/демультиплексирование, которое позволяет организовать непосредственный доступ к каналам PDH, передаваемым по сети SDH. Это резко ужесточает требования к системам синхронизации и параметрам качества системы передачи, а также увеличивает количество параметров, существенных для ее работы. Как следствие, эксплуатация систем передачи и технология измерений параметров в системах SDH намного сложнее, чем в системах плезиохронной цифровой иерархии и требует более высокой квалификации обслуживающего персонала. Иерархии PDH и SDH взаимодействуют между собой через процедуры мультиплексирования и демультиплексирования потоков PDH в системы SDH (Рекомендации ITU-T G.703 "Физические и электрические характеристики интерфейсов системы PDH", G.709 "Структура синхронного мультиплексирования", G.782 "Типы и основные характеристики мультиплексорного оборудования систем SDH", G.783 "Характеристики функциональных блоков мультиплексорного оборудования систем SDH"). 55 Особенности синхронной цифровой иерархии SDH Особенности технологии SDH: • синхронная передача и мультиплексирование. Элементы сети SDH используют для синхронизации один задающий генератор, называемый первичным эталонным генератором (ПЭГ) с точностью не хуже 10-11 (Рекомендация ITU-T G.811) с образованием иерархии, в которой каждый генератор синхронизируется по сигналу генератора более высокой ступени, имеющего более высокую точность; • прямое мультиплексирование и демультиплексирование потоков PDH (на любом уровне иерархии SDH выделяется загруженный поток PDH без пошагового демультиплексирования – процедура ввода-вывода). • стандартные оптические и электрические интерфейсы. Это обеспечивает совместимость оборудования различных производителей; • возможность объединения систем PDH европейской и американской иерархии и создания каналов с высокой пропускной способностью для передачи сигналов HDTV, ATM, MAN и т.д.; • высокоразвитая система дистанционного управления и диагностики, что обеспечивает лучшее управление и самодиагностику системы связи. 56 Особенности синхронной цифровой иерархии SDH В последнее время по сетям связи передается большое количество информации самого различного характера: данные, электронная почта, мультимедийная информация, видеосигналы, сигналы IP-телефонии и т. п. сообщения с различной скоростью и асинхронным характером возникновения. Для удовлетворения возникающих требований по передаче подобной информации в системах SDH была предложена технология АТМ (Asynchronous Transfer Mode) – моды асинхронной передачи (МАП). Эта технология передачи предполагает запись самой разнообразной информации в ячейки (Сells) фиксированной малой длины, чем обеспечивается полная прозрачность системы передачи для самых различных форматов представления информации. Ячейки содержат 48 байт полезной информации и заголовок длиной в 5 байт и похожи на короткий пакет (длина 53 байта) в компьютерных сетях. Поскольку все ячейки имеют фиксированную длину, то возможна их синхронная передача. В то же время, при отсутствии информации от источника, возможна передача полупустых или пустых ячеек. В случае непрерывной передачи возможно следование ячеек через строго определенное время. Поток ячеек от различных источников может объединяться путем простого мультиплексирования. 57 Особенности синхронной цифровой иерархии SDH Для адресации ячеек в ее заголовке отводится два байта под идентификацию виртуального канала VCI (Virtual Channel Identifier), поскольку малая длина адреса не позволяет иметь полную адресную информацию. Перед номером виртуального канала помещается идентификатор виртуального пути VPI (Virtual Path Identifier) длиной в один байт. Узел коммутации пересылает целые группы ячеек, не тратя време-ни на обработку адресов виртуальных каналов, если у них совпадают но-мера виртуального пути. АТМ хорошо согласуется с сетями SDH, ее ячей-ки легко размещаются в синхронных транспортных модулях. Это позво-ляет, установить пакетные коммутаторы (маршрутизаторы), поддержи-вающие технологию АТМ, соединить, например, две локальные компью-терные сети, находящиеся на значительном удалении друг от друга, с по-мощью SDH сетей общего пользования. Одновременно могут быть предоставлены услуги телефонной связи с гарантированным качеством, возможность организации видеоконференций и т. п. Коммутатор-мультиплексор будет объединять потоки ячеек, приходящие с самыми различными скоростями (асинхронно) в синхронный цифровой поток с фиксированной скоростью и, соответственно, наоборот, входящий синхронный поток будет "распаковываться" на многие асинхронные потоки АТМ – ячеек. 58 Система тактовой сетевой синхронизации В силу особенностей технологии SDH (синхронное мультиплексирование/демультиплексирование) строить цифровые сети связи необходимо одновременно с созданием системы тактовой сетевой синхронизации (ТСС). Система или сеть синхронизации имеет определенную иерархию. В узлах сети размещают первичный эталонный генератор (ПЭГ) тактовых импульсов PRC (Primary Reference Clock), или первичный таймер, сигналы которого затем распределяются по сети, создавая вторичные источники - вторичный или ведомый эталонный генератор (ВЭГ) тактовых импульсов SRC (Secondary Reference Clock), или вторичный таймер, реализуемый в виде таймера либо транзитного узла TNC (Transit Node Clock), либо локального (местного) узла LNC (Local Node Clock). Первичный таймер обычно представляет собой атомный источник тактовых импульсов (цезиевые или рубидиевые часы) с точностью не ниже 10-11...10-14. Его калибруют вручную или автоматически по сигналам мирового скоординированного времени UTC (Universal Time Coordinated). 59 Система тактовой сетевой синхронизации В сети синхронизации генератор каждого нижнего уровня синхронизирован от генератора более высокого уровня. Используются генераторы четырех уровней качества в иерархии синхронизации: - первичный опорный или эталонный генератор PRC; - подчиненный генератор в узле транзита (Transit Node Clock TNC); - подчиненный генератор в местном, локальном узле (Local Node Clock - LNC); - генератор оборудования синхронной цифровой иерархии (SDH Equipment Clock - SEC). PRC - генератор самого высокого качества, а SEC - генератор самого низкого качества. Генератор более высокого качества не должен быть синхронизирован генератором более низкого качества в режиме удержания, но в режиме удержания генераторы могут использоваться для синхронизации генераторов того же самого уровня качества. 60 Система тактовой сетевой синхронизации В настоящее время для взаимоувязанной сети связи Российской Федерации (ВСС России) основой является система ТСС базовой сети, в качестве которой выбрана система ТСС ОАО «Ростелеком». Эта система способна обеспечить сигналами синхронизации надлежащего качества всех операторов связи, взаимодействующих с ВСС, так как на этой сети установлено достаточное число ПЭГ и обеспечивается необходимый контроль качества передаваемых синхросигналов. Базовая система ТСС позволяет подключить к ней любого оператора связи, гарантируя при этом требуемое качество синхронизации в соответствии с рекомендациями ITU-T и стандартами ETSI. Однако существует ряд ведомственных и больших корпоративных сетей, в которых в силу их специфических особенностей необходима установка собственной системы ТСС и ПЭГ. 61 Система тактовой сетевой синхронизации Сигналами синхронизации могут служить как специальные сигналы с частотой 2048 кГц, так и информационные сигналы полезной нагрузки уровня Е1 (2048 кбит/с) ЦСП ПЦИ/PDH, соответствующие Рекомендации G.703 ITU-T. Для передачи сигналов синхронизации по цифровой сети могут использоваться сигналы ЦСП СЦИ/SDH и ПЦИ/PDH. По сети ПЦИ/PDH синхросигналы передаются в составе сигнала уровня Е1. По сети СЦИ/SDH синхросигналы передаются по синхротрассам в составе цифровых потоков синхронных модулей STM-N (N = 1, 4,...). Цифровые потоки полезной нагрузки уровня Е1 (2048 кбит/с) практически не пригодны для применения в качестве синхросигналов. В мультиплексорах ЦСП СЦИ/SDH из синхронных модулей STM-N формируются сигналы синхронизации с частотой 2048 кГц. Для восстановления качества сигналов синхронизации, переданных с помощью синхронных модулей STM-N, используются генераторы СЭ (ГСЭ), которые входят в состав мультиплексоров ЦСП СЦИ/SDH. На ГСЭ могут поступать синхросигналы, полученные по линейному потоку или потоку нагрузки. Сигналы синхронизации 2048 кГц могут поступать на ГСЭ непосредственно от ПЭГ, вторичного задающего генератора (ВЗГ), иногда от ГСЭ другого мультиплексора. 62 Система тактовой сетевой синхронизации 63 Система тактовой сетевой синхронизации В цифровых сетях большой протяженности может наблюдаться расхождение тактовых частот, что приводит к проскальзыванию. Проскальзывание - исключение или повторение в цифровом сигнале одного или нескольких бит, происходящее вследствие различия в скоростях записи и считывания буферных устройств, установленных на входе коммутационного оборудования, где запись производится с тактовой частотой приходящего цифрового потока, а считывание с тактовой частотой коммутационного оборудования. Число проскальзываний при соединении от абонента до абонента по каналу 64 кбит/с нормируется согласно рекомендации МСЭ-Т G.822 для эталонного соединения длиной 27 500 км, которое представляет собой соединение двух национальных сетей через несколько международных транзитов и насчитывает в общей сложности 13 узлов и станций. По рек.G.822 в этом соединении должно происходить: а) не более 5 проскальзываний за 24 ч в течении 98,9% времени работы; d) более 5 проскальзываний за 24ч, но менее 30 за 1 ч в течении 1% времени работы; с) более 30 проскальзываний за 1 ч в течение 0,1% времени работы. 64 Контрольные вопросы Какие разновидности многоканальных систем передачи Вы знаете? Поясните, что такое «синхронные системы передачи»? Поясните, что такое «плезиохронные системы передачи»? Что такое «частотное разделение каналов»? Что такое «частотно-временное разделение каналов»? Что такое «кодовое разделение каналов»? Зачем при передаче цифровых потоков нужны системы синхронизации? Какие разновидности этих систем Вы знаете? Что такое «прямое мультиплексирование и демультиплексирование потоков PDH» в синхронных системах передачи? Чем "джиттер" отличается от "вандера" и как они влияют на скорость передачи цифровых потоков? 65 Информационное обеспечение лекции Список литературы Попов Г.Н. Основы построения цифровых линейных трактов и способы их оптимизации. – М.: Горячая линия–Телеком, 2004. Цифровые и аналоговые системы передачи: Учебник для вузов. 2-е издание / Иванов В., Гордиенко В., Попов Г. – СПб.: BHV-СанктПетербург, 2003. Гаранин М.В. и др. Системы и сети передачи информации: Учеб. пособие для вузов. – М.: Радио и связь, 2001. – 336 с.:ил. Кириллов В.И. Многоканальные системы передачи: Учеб. пособие для вузов. 2-е изд. – М.: Новое знание, 2003. – 751 с.: ил. Н.Н. Слепов Синхронные цифровые сети SDH – М.: Эко-Трендз, 1998. P.P. Убайдуллаев. Волоконно-оптические сети. – М.: Эко-Трендз, 2001. Многоканальные системы передачи: Учебник для вузов/ Н.Н. Баева, В.Н. Гордиенко, С.А. Курицын и др.; Под ред. Н.Н. Баевой и В.Н. Гордиенко. – М.: Радио и связь, 1996. – 276 с.: ил. 66 Конец фильма Спасибо за внимание!
