Цифровая первичная сеть - принципы построения и тенденции развития

Цифровые системы передачи

Собственный материал Издания	Hits: 20235
Понятие “цифровая передача” является довольно широким и включает множество вопросов, таких как выбор параметров импульсов в конкретной среде передачи, преобразование цифровой последовательности к коду передачи и т.п. Все эти вопросы очень хорошо освещены в различных пособиях и книгах, поэтому остановимся подробно только на прикладных аспектах цифровой передачи.
Синхронизация В цифровых системах передачи необходимо обеспечить выполнение всех операций по обработке цифровых сигналов синхронно и последовательно. Если бы эти операции происходили локально и синхронизировались от одного источника, то проблем не было. В этом случае к стабильности задающего генератора не предъявлялись бы жесткие требования, так как на всех участках происходили бы одинаковые изменения тактовой частоты. Но поскольку любую систему цифровой передачи можно рассматривать как состоящую из двух и более полукомплектов приема и передачи, разнесенных на значительные расстояния, то требования к синхронизации становятся основополагающими. Высокостабильные, и следовательно дорогие, тактовые генераторы могут оказаться бесполезными из-за линейных помех, вызывающих фазовые дрожания тактовых сигналов. По сути дела фазовые дрожания вызывают изменение числа битов, переданных по линии. Для борьбы с этим явлением используются устройства эластичной памяти, в которых запись осуществляется по тактовой частоте принимаемого сигнала, а считывание - по тактовой частоте местного генератора. Такая память позволяет компенсировать пусть даже большие, но кратковременные отклонения тактовой частоты. Однако эластичная память не справляется при продолжительных, пусть даже небольших отклонения. Она может переполняться или опустошаться в зависимости от соотношения тактовых частот. При этом возникает так называемое проскальзывание. Рекомендацией ITU-T G.822 нормируется частота проскальзований в зависимости от качества обслуживания и устанавливается распределение продолжительности работы с пониженным и неудовлетворительным качеством. Таким образом рекомендацией ITU-T допускаются на синхронных цифровых сетях некоторые нарушения синхронизации. Рекомендация ITU-T G.803 описывает следующие режимы цифровых сетей по синхронизации: · синхронный режим, при котором проскальзования практически отсутствуют, имея случайный характер. Этот режим работы сетей с принудительной синхронизацией, когда все элементы сети получают тактовую частоту от одного эталонного генератора. · псевдосинхронный режим возникает, когда имеется несколько высокостабильных генератора (их нестабильность не более 10-11 согласно G.811). Допускается одно проскальзование за 70 суток. Этот режим имеет место на стыках сетей с синхронными режимами разных операторов. · плезиохронный режим появляется на цифровой сети при потери элементом сети внешней принудительной синхронизации. На сети с синхронным режимом такое может произойти при отказе основных и резервных путей прохождения синхросигнала или при выходе из строя эталонного генератора. Для обеспечения в этом случае приемлемого уровня проскальзования, 1 проскальзование за 17 часов, генераторы элементов сети должны обладать нестабильностью не более 10-9. · асинхронный режим характеризуется одним проскальзованием за 7 секунд позволяет иметь генераторы с нестабильностью не хуже 10-5. Подобный режим практически не применяется на цифровых сетях. В настоящее время все системы цифровой передачи, применяемые на цифровых сетях, принято разделять на системы PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy - плезиохронная цифровая иерархия) и SDH (Synchronous Digital Hierarchy - синхронная цифровая иерархия). Своими названиями они обязаны соответствующим режимам работы по синхронизации. В данной статье подробно рассмотрим PDH, принципам SDH посвящена отдельная статья. Плезиохронная цифровая иерархия Первыми возникли системы PDH, их основой стали системы с временным разделением каналов (ВРК) и ИКМ-кодированием. В силу исторических причин появилось два типа плезиохронной иерархии - североамериканская, используемая в основном в США, Канаде и Японии, и европейская, применяемая в большинстве стран. Базовой скоростью или нулевым уровнем в обоих типах иерархии (PDH и SDH) является скорость 64 кбит/с, под которой понимается один стандартный телефонных канал. Следующей ступенькой в плезиохронных иерархиях являются первичные цифровые системы передачи. Рекомендация ITU-T G.732 описывает европейскую системы (ИКМ30), а G.733 - североамериканскую (ИКМ24). Кадр или цикл системы ИКМ30 имеет продолжительность 125 мкс и состоит из 32 байт, каждый из которых относится к определенному каналу системы. На рисунке приводится структура цикла. Нулевой канал предназначен для передачи служебных сигналов и сигналов синхронизации. Каналы с 1 по 15 и с 17 по 31 является информационными или телефонными. В каждом цикле передается 32 * 8 = 256 бит, что в итоге дает скорость 2048 кбит/с. Канал под номером 16 называется каналом сигнализации и может использоваться в двух вариантах: · для передачи сигнальной информации для телефонных каналов. В этом случае в каждом цикле байт канала сигнализации разбивается на две половины. В первой половине последовательно на протяжении 15 циклов передается сигнальная информация с 1 по 15 телефонного канала, во второй - с 16 по 31 канала. В нулевом цикле в канале сигнализации передается сигнал сверхцикловой синхронизации. Таким образом, через канал сигнализации обеспечивается передача сигнальной информации для каждого телефонного канала со скоростью 2 кбит/с. · канал сигнализации системы ИКМ30 может быть использован для обеспечения передачи сигнализации по общему каналу, например, ОКС №7, или для передачи данных. Поясним некоторые обозначения на рисунке. Во всех служебных байтах бит, обозначенный символом “Х” зарезервирован для международного использования. Биты “Y” зарезервированы для национального применения. Бит “Z” служит для сигнализации о сбоях в сверхцикловой синхронизации. Бит “А” используется для сигнализации о наличии важных сообщениях. Этот сигнал возникает (бит принимает значение “1”) в следующих случаях: · сбой по электропитанию; · сбой цикловой синхронизации; · сбой аппаратуры линейного кодирования; · наличие ошибок во входящем сигнале 2,048 Мбит/с; · частота появления серийных ошибок цикловой синхронизации превышает величину 10-3. Цикл ИКМ24 так же имеет продолжительность 125 мкс, но состоит из 24 байт и одного дополнительного бита. Каждый байт относится к определенному каналу системы. На рисунке приводится структура цикла. За один цикл передается 24 * 8 + 1 = 193 бита, что дает скорость 1544 кбит/с. Цикловая и сверхцикловая синхронизация обеспечивается определенной комбинацией добавочного бита, при подсчете за 12 циклов. Сигнальная информация телефонных каналов передается по двум подканалам А и В, образуемых младшими битами всех каналов соответственно в 6 и 12 циклах. Эти каналы обеспечивают передачу сигнализации каждого телефонного канала со скоростью 1,333 кбит/с. Отсутствие отдельного сигнального канала, по сравнению с европейской иерархией, позволяет более эффективно использовать пропускную способность. Однако происходит небольшое уменьшение канальной скорости. В силу кратности цикла формирования сигнальных каналов, равной 6, уменьшение скорости “плавает” между каналами, что практически не влияет на качестве речи, но не позволяет осуществлять одновременно передачу данных по отдельным каналам ИКМ24. Благодаря цикловой и сверхцикловой синхронизации поддерживаются требования плезиохронного режима работы в первичных цифровых системах. Для синхронизации ведомых генераторов в европейской иерархии используется тактовая частота 2048 кгц, выделяемая из цифрового потока со скоростью 2048 кбит/с. Последующие ступеньки североамериканской и европейской плезиохронных цифровых иерархий базируются на своих первичных цифровых системах. В таблицах представлено соотношение числа каналов и скоростей. Европейская плезиохронная цифровая иерархия Скорость, кбит/с Число телефонных каналов     2048 (Е1)   8448 (Е2)   34368 (Е3)   139 264 (Е4)   Североамериканская плезиохронная цифровая иерархия Скорость, кбит/с Число телефонных каналов Название сигнала     DS0 1 544 (Т1)   DS1 6 312 (Т2)   DS2 44 736 (Т3)   DS3 274 176 (Т4)   DS4 В отличие от европейской, североамериканская плезиохронная цифровая иерархия имеет ряд вариаций, которые не были стандартизованы ITU-T. Используется еще один сигнал DS1C со скоростью 3 152 кбит/с (Т1С), обеспечивающий 48 телефонных каналов. В Японии вместо скорости 44 736 кбит/с используется 32 064 кбит/с (480 каналов), а вместо 274 176 кбит/с - 97 728 кбит/с (1 440 каналов). Как видно из таблиц в североамериканской иерархии сигналам присвоены названия DS, которое расшифровывается очень просто - цифровой сигнал (Digital Signal). Очень часто для обозначения скорости цифровых сигналов используются цифро-буквенные комбинации, которые приведены в таблицах. Первичный цифровой поток формируется за счет по-байтного объединения каналов. На следующих уровнях объединение происходит на основе по-битного мультиплексирования первичных потоков. В силу плезиохронного характера первичных потоков при их объединении неизбежны проскальзования. Для снижения вероятности их появления используют процедуру согласования или выравнивания скоростей (стаффинг). Суть ее заключается в добавлении на передающем конце “пустых” битов и исключения их на приемном. Это процедура положительного стаффинга. Возможность вставки дополнительных битов предоставляется использованием несколько большей скорости объединенного потока, чем у суммы исходных. Разумеется кроме дополнительных битов еще передаются служебные сигналы и сигналы цикловой синхронизации. Главными недостатками плезиохронной цифровой иерархии (PDH) являются невозможность прямого доступа к каналам, без процедур демультиплексирования/мультиплексирования всего линейного сигнала, и практическое отсутствие средств сетевого мониторинга и управления. Потребность в более высоких скоростях работы цифровых систем передачи, повышение требований к качеству привели к созданию систем синхронной цифровой иерархии (SDH).

 

 

Цифровая первичная сеть - принципы построения и тенденции развития

Первичной сетью называется 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 системы электросвязи. В основе современной системы электросвязи лежит использование цифровой первичной сети, основанной на использовании цифровых систем передачи. Как следует из определения, в состав первичной сети входит среда передачи сигналов и аппаратура систем передачи. Современная первичная сеть строится на основе технологии цифровой передачи и использует в качестве сред передачи электрический и оптический кабели и радиоэфир.

Рассмотрим ту часть первичной, которая связана с передачей информации в цифровом виде. Как видно из рис. 1.1, современная цифровая первичная сеть может строиться на основе трех технологий: PDH, SDH и ATM.

Рис. 1.1. Место цифровой первичной сети в системе электросвязи

Первичная цифровая сеть на основе PDH/SDH состоит из узлов мультиплексирования (мультиплексоров), выполняющих роль преобразователей между каналами различных уровней иерархии стандартной пропускной способности (ниже), регенераторов, восстанавливающих цифровой поток на протяженных трактах, и цифровых кроссов, которые осуществляют коммутацию на уровне каналов и трактов первичной сети. Схематично структура первичной сети представлена на рис. 1.2. Как видно из рисунка, первичная сеть строится на основе типовых каналов, образованных системами передачи. Современные системы передачи используют в качестве среды передачи сигналов электрический и оптический кабель, а также радиочастотные средства (радиорелейные и спутниковые системы передачи). Цифровой сигнал типового канала имеет определенную логическую структуру, включающую цикловую структуру сигнала и тип линейного кода. Цикловая структура сигнала используется для синхронизации, процессов мультиплексирования и демультиплексирования между различными уровнями иерархии каналов первичной сети, а также для контроля блоковых ошибок. Линейный код обеспечивает помехоустойчивость передачи цифрового сигнала. Аппаратура передачи осуществляет преобразование цифрового сигнала с цикловой структурой в модулированный электрический сигнал, передаваемый затем по среде передачи. Тип модуляции зависит от используемой аппаратуры и среды передачи.

Таким образом, внутри цифровых систем передачи осуществляется передача электрических сигналов различной структуры, на выходе цифровых систем передачи образуются каналы цифровой первичной сети, соответствующие стандартам по скорости передачи, цикловой структуре и типу линейного кода.

Обычно каналы первичной сети приходят на узлы связи и оканчиваются в линейно-аппаратном цехе (ЛАЦе), откуда кроссируются для использования во вторичных сетях. Можно сказать, что первичная сеть представляет собой банк каналов, которые затем используются вторичными сетями (сетью телефонной связи, сетями передачи данных, сетями специального назначения и т.д.). Существенно, что для всех вторичных сетей этот банк каналов един, откуда и вытекает обязательное требование, чтобы каналы первичной сети соответствовали стандартам.

Cовременная цифровая первичная сеть строится на основе трех основных технологий: плезиохронной иерархии (PDH), синхронной иерархии (SDH) и асинхронного режима переноса (передачи) (ATM). Из перечисленных технологий только первые две в настоящее время могут рассматриваться как основа построения цифровой первичной сети.

Рис. 1.2. Структура первичной сети.

Технология ATM как технология построения первичной сети является пока молодой и до конца не опробованной. Эта технология отличается от технологий PDH и SDH тем, что охватывает не только уровень первичной сети, но и технологию вторичных сетей (рис. 1.1), в частности, сетей передачи данных и широкополосной ISDN (B-ISDN). В результате при рассмотрении технологии ATM трудно отделить ее часть, относящуюся к технологии первичной сети, от части, тесно связанной со вторичными сетями.

Рассмотрим более подробно историю построения и отличия плезиохронной и синхронной цифровых иерархий. Схемы ПЦС были разработаны в начале 80х. Всего их было три:
1) принята в США и Канаде, в качестве скорости сигнала первичного цифрового канала ПЦК (DS1) была выбрана скорость 1544 кбит/с и давала последовательность DS1 - DS2 - DS3 - DS4 или последовательность вида: 1544 - 6312 - 44736 - 274176 кбит/с. Это позволяло передавать соответственно 24, 96, 672 и 4032 канала DS0 (ОЦК 64 кбит/с);
2) принята в Японии, использовалась та же скорость для DS1; давала последовательность DS1 - DS2 - DSJ3 - DSJ4 или последовательность 1544 - 6312 - 32064 - 97728 кбит/с, что пзволяло передавать 24, 96, 480 или 1440 каналов DS0;
3) принята в Европе и Южной Америке, в качестве превичной была выбрана скорость 2048 кбит/с и давала последовательность E1 - E2 - E3 - E4 - E5 или 2048 - 8448 - 34368 - 139264 - 564992 кбит/с. Указанная иерархия позволяла передавать 30, 120, 480, 1920 или 7680 каналов DS0.

Комитетом по стандартизации ITU - T был разработан стандарт, согласно которому:
-- во-первых, были стандартизированы три первых уровня первой иерархии, четыре уровня второй и четыре уровня третьей иерархии в качестве основных, а также схемы кросс-мультиплексирования иерархий;
-- во-вторых,последние уровни первой и третьей иерархий не были рекомендованы в качестве стандартных.

Указанные иерархии, известные под общим названием плезиохронная цифровая иерархия PDH, или ПЦИ, сведены в таблицу 1.1.

Уровень цифровой иерархии	Скорости передач, соответствующие различным схемам цифровой иерархии
AC: 1544 kbit/s	ЯС: 1544 kbit/s	EC: 2048 kbit/s
	---

Таблица 1.1. Три схемы ПЦС: АС-американская; ЯС-японская; ЕС-европейская.

 

Но PDH обладала рядом недостатков, а именно:
-- затруднённый ввод/вывод цифровых потоков в промежуточных пунктах;
-- отсутствие средств сетевого автоматического контроля и управления;
-- многоступенчатое востановление синхронизма требует достаточно большого времени;
Также можно считать недостатком наличие трёх различных иерархий.

Указанные недостатки PDH, а также ряд других факторов привели к разработке в США ещё одной иерархии - иерархии синхронной оптической сети SONET, а в Европе аналогичной синхронной цифровой иерархии SDH, предложенными для использования на волоконно-оптических линиях связи(ВОЛС).Но из-за неудачно выбранной скорости предачи для STS-1, было принято решение -- отказаться от создания SONET, а создать на её основе SONET/SDH со скоростью передачи 51.84 Мбит/с первого уровня ОС1 этой СЦИ. Врезультате OC3 SONET/SDH соответствовал STM-1 иерархии SDH.Скорости передач иерархии SDH представлены в таблице 1.2.

Уровень SDH.	Скорость передачи, Мбит/с
STM-1	155,520
STM-4	622,080
STM-8	1244,160
STM-12	1866,240
STM-16	2487,320

Таблица 1.2. Скорости передач иерархии SDH.

Иерархии PDH и SDH взаимодействуют через процедуры мультиплексирования и демультиплексирования потоков PDH в системы SDH.

Основным отличием системы SDH от системы PDH является переход на новый принцип мультиплексирования. Система PDH использует принцип плезиохронного (или почти синхронного) мультиплексирования, согласно которому для мультиплексирования, например, четырех потоков Е1 (2048 кбит/с) в один поток Е2 (8448 кбит/с) производится процедура выравнивания тактовых частот приходящих сигналов методом стаффинга. В результате при демультиплексировании необходимо производить пошаговый процесс восстановления исходных каналов. Например, во вторичных сетях цифровой телефонии наиболее распространено использование потока Е1. При передаче этого потока 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 канала Е1.

В системе SDH производится синхронное мультиплексирование/демультиплексирование, которое позволяет организовывать непосредственный доступ к каналам PDH, которые передаются в сети SDH. Это довольно важное и простое нововведение в технологии привело к тому, что в целом технология мультиплексирования в сети SDH намного сложнее, чем технология в сети PDH, усилились требования по синхронизации и параметрам качества среды передачи и системы передачи, а также увеличилось количество параметров, существенных для работы сети. Как следствие, методы эксплуатации и технология измерений SDH намного сложнее аналогичных для PDH.

Международным союзом электросвязи ITU-T предусмотрен ряд рекомендаций, стандартизирующих скорости передачи и интерфейсы систем PDH, SDH и ATM, процедуры мультиплексирования и демультиплексирования, структуру цифровых линий связи и нормы на параметры джиттера и вандера (рис- 1.3).

Рис. 1.3. Стандарты первичной цифровой сети, построенной на основе технологий PDH, SDH и ATM.

Рассмотрим основные тенденции в развитии цифровой первичной сети.В настоящий момент очевидной тенденцией в развитии технологии мультиплексирования на первичной сети связи является переход от PDH к SDH. Если в области средств связи этот переход не столь явный (в случае малого трафика по-прежнему используются системы PDH), то в области эксплуатации тенденция к ориентации на технологию SDH более явная. Операторы, создающие большие сети, уже сейчас ориентированы на использование технологии SDH.Следует также отметить, что SDH дает возможность прямого доступа к каналу 2048 кбит/с за счет процедуры ввода/вывода потока Е1 из трактов всех уровней иерархии SDH. Канал Е1 (2048 кбит/с) является основным каналом, используемым в сетях цифровой телефонии, ISDN и других вторичных сетях.

Технология SDH

Технология SDH, как было отмечено в гл. 1, представляет собой современную концепцию построения цифровой первичной сети. В настоящее время эта концепция доминирует на рынке.

Сравнивая технологию SDH с технологией PDH, можно выделить следующие особенности технологии SDH:
• предусматривает синхронную передачу и мультиплексирование. Элементы первичной сети SDH используют для синхронизации один задающий генератор, как следствие, вопросы построения систем синхронизации становятся особенно важными;
• предусматривает прямое мультиплексирование и демультиплексирование потоков PDH, так что на любом уровне иерархии SDH можно выделять загруженный поток PDH без процедуры пошагового демультиплексирования. Процедура прямого мультиплексирования называется также процедурой ввода-вывода;
• опирается на стандартные оптические и электрические интерфейсы, что обеспечивает лучшую совместимость оборудования различных фирм-производителей;
• позволяет объединить системы PDH европейской и американской иерархии, обеспечивает полную совместимость с существующими системами PDH и, в то же время, дает возможность будущего развития систем передачи, поскольку обеспечивает каналы высокой пропускной способности для передачи ATM, MAN, HDTV и т.д.;
• обеспечивает лучшее управление и самодиагностику первичной сети. Большое количество сигналов о неисправностях, передаваемых по сети SDH, дает возможность построения систем управления на основе платформы TMN.Технология SDH обеспечивает возможность управления сколь угодно разветвленной первичной сетью из одного центра.

Все перечисленные преимущества обеспечили широкое применение технологии SDH как современной парадигмы построения цифровой первичной сети.

Выделим общие особенности построения синхронной иерерхии:
-- первая - поддержка в качестве входных сигналов каналов доступа только трибов(прим. от trib, tributary - компонентный сигнал, подчинённый сигнал или нагрузка, поток нагрузке) PDH и SDH;
-- вторая - трибы должны быть упакованы в стандартные помеченные контейнеры, размеры которых определяются уровнем триба в иерархии PDH;
-- третья - положение виртуального контейнера может определяться с помощью указателей, позволяющих устранить противоречие между фактом синхронности обработки и возможным изменением положения контейнера внутри поля полезной нагрузки;
-- четвёртая - несколько контейнеров одного уровня могут быть сцепленывместе и рассматриваться как один непрерывный контейнер, используемый для размещения нестандартной полезной нагрузки;
-- пятая - предусмотрено формирование отдельного поля заголовков размером 9*9=81 байт.

Как показано в гл. 1 (табл. 1.2), иерархия SDH включает в себя несколько уровней STM. В качестве примера использования уровней в сети SDH на рис.2.1 показана первичная сеть SDH, включающая кольца магистральной сети, построенной на потоках STM-16, региональных сетей, построенных на потоках STM-4,и локальных сетей с потоками STM-1.

Рис.2.1. Пример первичной сети, построенной на технологии SDH

В процессе внедрения технологии SDH на первом этапе вероятно появление комбинированных сетей SDH/PDH. Технология SDH внедряется обычно в виде "островов", объединенных каналами существующей первичной сети (рис. 2.2). На втором этапе "острова" объединяются в первичную сеть на основе SDH. В результате на современном этапе необходимо не только рассматривать технологию SDH, но и ориентироваться на изучение комбинированных сетей и процессов взаимодействия SDH и PDH.

Рис.2.2. Пример комбинированной первичной сетиPDH/SDH

Технология SDH стандартизирована ITU-T(рис. 1.3). Ниже приведен полный перечень рекомендаций ITU-T, определяющих параметры первичной сети SDH (см. также Приложение).

Рекомендации по базовой структуре и электрическим параметрам интерфейсов G.702 Скорости цифровой передачи в системах PDH
G.703 Физические и электрические характеристики интерфейсов системы PDH
G.707 Скорости цифровой передачи в системах SDH
G.708 Структура интерфейса "сеть-сеть"(NNI)в системах SDH
G.709 Структура синхронного мультиплексирования

Рекомендации по параметрам сетевых элементов системы SDH
G.781 Структура рекомендаций по параметрам мультиплексорного оборудования систем SDH
G.782 Типы и основные характеристики мультиплексорного оборудования систем SDH
G.783 Характеристики функциональных блоков мультиплексорного оборудования систем SDH
G.784 Управление в сетях SDH

Рекомендации по структуре сетей SDH
G.803 Архитектура транспортной сети на основе Синхронной цифровой иерархии (SDH)

Рекомендации по параметрам оптических интерфейсов
G.957 Параметры оптических интерфейсов оборудования и систем, связанных с технологий SDH
G.958 Цифровые системы передачи на основе SDH и использования волоконно-оптических кабелей

Рекомендации по параметрам джиггера и вандера
G.823 Контроль параметров джиттера и вандера в цифровых системах передачи на основе иерархии потока 2048 кбит/с (PDH)
G.825 Контроль параметров джиттера и вандера в цифровых системах передачи на основе SDH

Рекомендации по параметрам ошибок в системах передачи SDH
G.826 Нормы на параметры ошибок в цифровых системах передачи со скоростью выше первичного потока для международного соединения

Рекомендации по параметрам и структуре системы управления (TMN)
М.30 Принципы глобальной системы управления (TMN)
G.773 Протокол интерфейса Q для управления системами передачи