Скорость или частота Найквиста

Н.Н. Слепов

 

 

Современные цифровые технологии

Глобальных сетей связи

 

 

Москва

УДК 321.395.34 681.324

С47

 

Слепов Н.Н.

С47 Современные цифровые технологии глобальных сетей связи. - М.: Астра Полигра­фия, 2011.-298с.

ISBN 978-5-88161-323-5

 

В книге рассмотрены практически все основные цифровые технологии современных гло-. бальных сетей фиксированной связи: Х.25, FR, ATM, PPP, ISDN, PDH, SDH, WDM, а также IP и MPLS. Описаны основные особенности и многоуровневые модели указанных технологий, логические структуры пакетов, кадров и фреймов, функциональные элементы, архитектура и характеристики промышленных систем. Кратко рассмотрены также вопросы синхронизации и проектирования таких сетей.

Описаны основные особенности оборудования, сетевых устройств и функциональных элементов, используемых этими технологиями в сетях с коммутацией цепей и пакетов, вклю­чая: коммутаторы, мультиплексоры, шлюзы, модемы, кодеки, интерфейсы, устройства управ­ления и конвертирования асинхронных потоков в синхронные (РАО'ы и FRAD'bi), а также оп­тические усилители.

Книга может служить учебным пособием по курсам: "Технологии глобальных сетей свя­зи", "Системы и технологии передачи данных" или других подобных курсов, освещающих сети и технологии фиксированной связи. Она может служить также в качестве общего вводно­го курса для специалистов в области связи и глобальных сетевых технологий, желающих по­нять общность, различие, взаимопроникновение и сближение локальных, корпоративных и глобальных сетей, а также желающих расширить свои знания в области глобальных сетевых технологий. Эта книга, вне всякого сомнения, м.б. адресована студентам ВУЗов, изучающих сети связи, как базовое учебное и справочное пособие при изучении сетей связи и сетевых технологий.

ББК 32.881

Ни одна часть этой публикации не может быть репродуцирована или преобразована любыми сред­ствами в любую форму (включая электронную) и размещена на любых носителях и в любых средах (включая размещение в Интернете) без письменного разрешения автора.

 

Автор сделал все от него зависящее, чтобы представить надежную информацию о технологиях связи, однако он не несет ответственности за достоверность материалов, взятых из многочислен­ных источников, как и за последствия от их использования.

 

Все замечания и предложения просьба

направлять по электронному адресу автора,

Слепова Николая Николаевича:

[email protected]

 

 

ISBN 978-5-88161-323-5 ©Слепов Н.Н., 2011

Предисловие

Материал, изложенный в этой книге, представляет собой расширенный курс: "Технологии глобальных сетей" или, кратко, "Глобальные сети", который автор в течении многих лет (с 1997 г.) читает студентам старших курсов кафедры "Инженерной кибернетики" Московского института стали и сплавов (МИСиС). Этот курс (с некоторыми изменениями и дополнениями) входит в группу курсов: "Системы передачи данных (Data Networking)", "Основы SDH (SDH Basics)", "Основы сетей SDH и технологии оптоволоконной оптической связи (SDH Basics and fiber optics technology)", Сетевое планирование трафика SDH и WDM (SDH & WDM Traffic Network Planning)", которые автор читал сотрудникам СП компании "Ericsson" и слушателям учебных центров этой компании в Москве (РФ), Алма-Ате (Казахстан) и Киеве (Украина). Аналогичные курсы автор также читал (по приглашению) в ряде компаний в Москве и в дру­гих городах РФ.

Упомянутый базовый курс "Глобальные сети" состоял из 11 Глав и вошел в расширенном виде в эту книгу. 12-я Глава (Технология пакетной коммутации на основе протокола IP) была включена недавно. Курс может быть рассчитан на 48-64 учебных часа.

Курс начал формироваться после выхода в 1997 г. первого издания книги автора "Синхрон­ные сети SDH" ("Эко-Трендз"), где рассматривались технологии: ИКМ, PDH и SDH. Эта книга вышла четырьмя изданиями (1997-1999) в издательстве "Эко-Трендз" и получила признание у читателей, будучи фактически первым русскоязычным изданием на эту тему.

В 2000 и 2003 г. в издательстве "Радио и связь" двумя изданиями вышла существенно расширенная и заново переработанная книга автора "Современные технологии цифровых оптово­локонных сетей связи". В этой книге, кроме PDH и SDH, были рассмотрены также технологии ATM, SONET, WDM и разделы: Радиорелейные сети связи, Управление сетью связи, а также свойства и характеристики пассивных и активных элементов оптоволоконных сетей связи, включая оптические кабели. Эта книга фактически стала учебным пособием в ВУЗах связи РФ. В ней был аккумулирован опыт и знания автора, полученные им за годы работы (1992-2002) в таких связных компаниях, как Макомнет, ТелеРосс, Голден Телеком и Совинтел (РФ), а также GTS (Global Telesystems Group) и Andrew Corp. (США), в качестве менеджера пилот­ных проектов и сетевого планирования.

Сейчас автор готовит новое издание книги "Современные технологии...". Процесс этот, однако, долгий, трудоемкий и не ясно, будет ли он завершен. Поэтому автор решил выпустить краткую версию задуманного первого тома "Электрические технологии" в виде учебного по­собия для студентов и слушателей учебных курсов: краткого, емкого, но не отягощенного из­лишними подробностями, множеством ссылок на источники и приложениями.

В работе над пособием автор опирался и на свой опыт чтения лекций, который он приоб­рел в российских ВУЗах (МИРЭА, МИСиС), учебных центрах компании "Ericsson" (в Москве, Алма-Ате и Киеве), а также в университетах Fullerton (California) и Morris (Minnesota) в США.

Автор надеется, что читатели оценят представленное пособие, хотя бы за то, что в нем (см. Оглавление) кратко представлены практически все глобальные технологии фиксирован­ной связи: Х.25, FR, ATM, ИКМ, ISDN, PDH, SDH, WDM, а также IP и MPLS, описанные с единых позиций и в одном стилистическом ключе.

Опыт чтения подобных кратких, но насыщенных, курсов показывает, что слушателям час­то требуется прочитать материал не один, а два-три раза, ответить на контрольные вопросы и разобраться с большим количеством сокращений, расшифровки которых даны внутри глав. Я надеюсь, что мои потенциальные читатели воспользуются словарем автора: "Англо-русский толко­вый словарь сокращений в области связи, компьютерных и информационных технологий" (М.: Радио и связь, 2005).

 

Николай Слепов, Март 2011 г.

 

Краткое содержание

Предисловие........................................................................,.......................................................3

Глава 1

Основные понятия и особенности систем связи.......................................................................5

Глава 2

Классификация и общие особенности сетей..........................................................................25

Глава 3

Введение в цифровые технологии глобальных сетей............................................................45

Глава 4

Технология пакетной коммутации стандарта Х.25.................................................................71

Глава 5

Технология пакетной коммутации Frame Relay......................................................................93

Глава 6

Основы технологии ATM.........................................................................................................117

Глава 7

Цифровые сети интегрированного обслуживания ISDN................................................. ..... 147

Глава 8

Введение в технологию PDH..................................................................................................165

Глава 9

Введение в синхронную цифровую иерархию (SDH)...........................................................181

Глава 10

Введение в волоконно-оптическую технику и технологию WDM........................................ 201

Глава 11

Управление сетями связи.......................................................................................................225

Глава 12

Технология пакетной коммутации на основе протокола IP..................................................247

Оглавление……………………………………………………………………………………………289

 

Глава 1

Основные понятия и особенности систем связи

 

Основные понятия

Блок-схема системы связи

Системы связи, независимо от того на базе каких сетей (локальных или глобальных) они по­строены, используются для передачи непрерывного сигнала или последовательности дискрет­ных сигналов, несущих элементы передаваемого сообщения.

Это утверждение содержит, по меньшей мере, пять (выделенных нами) понятий:

· сообщение - сведения, подлежащие передаче; их количество д.б. измерено какой-то универсальной мерой:

· информация - универсальная мера, которой измеряют количество сведений, содержащихся в сообщении;

· непрерывный или дискретный сигнал - эквивалентные формы представления сообщения; допускающие взаимное преобразование;

· связь - действие, позволяющее передать сообщение от отправителя (источника) к получателю (приемнику):

· система связи - совокупность технических средств, осуществляющая передачу сообщений (рис.1-1).

Система связи на рис.1-1, включает: передатчик сигнала, линию связи, приемник сигнала

и источник помех (отправитель и получатель не включены в ее состав). Объект передачи - сообщение, представленное сигналом - переносчиком сообщения. При этом над сигналом осуществляются три операции:

- преобразование - перевод сообщения в форму, удобную для последующей обработки;

- кодирование - изменение формы сообщения для повышения помехоустойчивости при прохождении по каналу связи;

- модуляция - изменение параметров несущей, являющейся переносчиком передаваемого сообщения.

Рис.1-1. Блок-схема система связи, как совокупность средств передачи сообщений

1.1.2. Сообщение: дискретная и непрерывная формы

Дискретное сообщение - сообщение, состоящее из отдельных букв или цифр, напр., телеграф­ное сообщение, передаваемое азбукой Морзе (1837). Отдельным элементом такого сообщения м.б. блок цифр, кодирующий буквы или их последовательность, т.е. кодовый блок, напр., 5-элементный код постоянной длины - код Боде (1875).

Скорость или частота Найквиста

Дискретные сообщения исследовал Найквист (1924-28), определивший, что по каналу с полосой f_c можно передать максимально 2 f_c импульсов/отсчетов в секунду, а для исключения меж-символьной интерференции (МСИ) нужно использовать импульсы вида g*(t) = sin(2pf_ct)/(2pf_ct). Вид этой функции (результат прохождения прямоугольного импульса

через идеальный фильтр нижних частот (ФНЧ) с частотой среза f_c) приведен на рис. 1-2. Ну­-

ли функции g*(t) соответствуют точкам n/2f_c, где n =1,2,3..., где достигается максимум функ­ций последовательности, передаваемой со скоростью 2f_c импульсов/с, что исключает МСИ.

 

 

Рис .1 -2. Вид импульса, идеального ФНЧ и функции g(t) - результата прохождения импульса через ФНЧ

Частоту 2f_c называют частотой Найквиста, она фигурирует во всех процессах, связанных с дискретизацией аналоговой функции. Функция g*(t) известна также как функция sinc(2pf_ct). Она используется в теореме отсчетов.

Непрерывное сообщение

Непрерывное сообщение - сообщение, представленное непрерывной функцией времени g(t).

На практике принято считать g(t) функцией с ограниченным частотой w_c (w_c=2pf_c) спектром. Если представить спектр S(w) этой функции на интервале (- w_c, w_c) рядом Фурье, а затем вос­становить ее, используя обратное преобразование Фурье, то такая функция м.б. записана в виде суммы отсчетов функции в моменты t_k=kΔt, называемой рядам Котельникова (1933):

. (1 -1)

Слагаемые (1-1) - это отклики идеального ФНЧ с частотой среза (рис. 1-3в) на им­пульс (выборку) (рис. 1-3б), плошадь которого равна значению g(t) в момент . Восста­новление исходной функции (рис.1-3а) на приеме происходит путем пропускания таких им­пульсов, через ФНЧ (рис.1-3г).

Функция интересна тем, что при она равна 1, а при всех для равна 0.Поэтому, даже если выходные импульсы и перекрываются, в моменты, соответст­вующие взятию очередного отсчета значение функции определяется только одним из них.

Если g(t) рассматривается на конечном интервале T, она будет определяться числом выбо­рок m пропорциональным удвоенной верхней частоте среза спектра функции f_c: , т.к. . Итак, можно говорить о справедливости утверждения, известного в мире как теорема отсчетов Найквиста, а у нас как теорема Котельникова.