Цифровые системы управления связью

1. Эталонная модель взаимодействия открытых систем

1.1. Общие положения

Эталонная модель OSI стала основной архитектурной моделью для систем передачи сообщений.

Эталонная модель OSI делит проблему передачи информации между абонентами на семь менее крупных и, следовательно, более легко разрешимых задач. Каждой из семи областей проблемы передачи информации ставится в соответствие один из уровней эталонной модели. Два самых низших уровня эталонной модели OSI реализуются аппаратным и программным обеспечением, остальные пять высших уровней, как правило, реализуются программным обеспечением.

Рис. 1.1. Пример связи уровней OSI

В качестве примера связи типа OSI предположим, что Система А на Рис. 1.1 имеет информацию для отправки в Систему В. В этом случае информация из прикладного процесса через уровень 7 сообщается с уровнем 6, который модифицирует информацию, делая ее понятной для уровня 5 и т.д. вплоть до физического уровня системы А. На стороне системы В осуществляется обратное преобразование, начиная от низших уровней до самого верхнего. Следовательно, каждый уровень Системы А использует услуги, предоставляемые ему смежными уровнями, чтобы осуществить связь с соответствующим ему уровнем Системы В. Нижестоящий уровень называется источником услуг, а вышестоящий - пользователем услуг. Взаимодействие уровней происходит в так называемой точке предоставления услуг.

Обмен управляющей информацией между соответствующими уровнями системы OSI осуществляется в виде «заголовков», добавляемых к информационной части. В принимающей системе осуществляется анализ этой информации с последующим удалением соответствующего заголовка перед передачей на верхний уровень.

Каждый уровень имеет заранее заданный набор функций, которые он должен выполнить для проведения связи.

Прикладной уровень (уровень 7) - это самый близкий к пользователю уровень OSI. Он отличается от других уровней тем, что не обеспечивает услуг ни одному из других уровней OSI. Он обеспечивает услугами прикладные процессы, лежащие за пределами масштаба модели OSI. Прикладной уровень идентифицирует и устанавливает наличие предполагаемых партнеров для связи, синхронизирует совместно работающие прикладные процессы, а также устанавливает и согласовывает процедуры устранения ошибок и управления целостностью информации. Прикладной уровень также определяет, имеется ли в наличии достаточно ресурсов для предполагаемой связи.

Представительный уровень (уровень 6) отвечает за то, чтобы информация, посылаемая из прикладного уровня одной системы, была читаемой для прикладного уровня другой системы. При необходимости представительный уровень осуществляет трансляцию между множеством форматов представления информации путем использования общего формата представления информации.

Сеансовый уровень (уровень 5) устанавливает, управляет и завершает сеансы взаимодействия между прикладными задачами. Сеансы состоят из диалога между двумя или более объектами представления. Сеансовый уровень синхронизирует диалог между объектами представительного уровня и управляет обменом информации между ними. Кроме того, сеансовый уровень предоставляет средства для отправки информации, класса услуг и уведомления в исключительных ситуациях о проблемах сеансового, представительного и прикладного уровней.

Транспортный уровень (уровень 4). Функцией транспортного уровня является надежная транспортировка данных через сеть. Предоставляя надежные услуги, транспортный уровень обеспечивает механизмы для установки, поддержания и упорядоченного завершения действия каналов, систем обнаружения и устранения неисправностей транспортировки и управления информационным потоком (с целью предотвращения переполнения системы данными из другой системы).

Сетевой уровень (уровень 3) - это комплексный уровень, который обеспечивает возможность соединения и выбор маршрута между двумя конечными системами. Поскольку две конечные системы, желающие организовать связь, может разделять значительное географическое расстояние и множество подсетей, сетевой уровень является доменом маршрутизации. Протоколы маршрутизации выбирают оптимальные маршруты через последовательность соединенных между собой подсетей.

Канальный уровень (уровень 2) обеспечивает надежный транзит данных через физический канал. Выполняя эту задачу, канальный уровень решает вопросы физической адресации (в противоположность сетевой или логической адресации), топологии сети, линейной дисциплины (каким образом конечной системе использовать сетевой канал), уведомления об ошибках, упорядоченной доставки блоков данных и управления потоком информации.

Физический уровень (уровень 1) определяет электротехнические, механические, процедурные и функциональные характеристики установления, поддержания и разъединения физического канала между конечными системами.

2. Основные сведения о сетях электросвязи

2.1. Основные определения

Сеть связи - совокупность технических средств, обеспечивающих передачу и распределение сообщений. Принципы построения сетей связи зависят от вида передаваемых и распределяемых сообщений.

В настоящее время применяют следующие принципы построения (топологии) сетей:

· "каждый с каждым". Сеть надежна, отличается оперативностью и высоким качеством передачи сообщений. На практике применяется при небольшом числе абонентов. Если произойдет обрыв одной из соединительных линий, то это не повлияет на общую работоспособность сети, т.к. существует множество обводных маршрутов следования информации.

радиальный ("звезда"). Используется при ограниченном числе абонентских пунктов, расположенных на небольшой территории. Пример, организация сети связи между абонентами и АТС. Недостаток заключается в том, что если произойдет поломка центрального узла, то нарушается работа всего узла связи в целом.

· радиально-узловой. Такую структуру имеют городские телефонные сети, если емкость сети не превышает 80...90 тысяч абонентов;

· радиально-узловой с узловыми районами. Используется при построении телефонных сетей крупных городов.

Телеграфные сети строятся по радиально-узловому принципу с учетом административно-территориального деления страны. Оконечными пунктами телеграфной сети являются либо отделения связи, либо телеграфные абоненты, обладающие телеграфной аппаратурой. Сеть имеет три уровня узловых пунктов: районные, областные и главные. Сеть передачи данных имеет схожую структуру. Сеть факсимильной связи строится на базе телефонной сети.

2.2. Сети передачи индивидуальных сообщений

Для обеспечения передачи индивидуальных сообщений необходимо связать (соединить) оконечные аппараты абонентов. Электрическая цепь (канал), состоящая из нескольких участков и обеспечивающая передачу сигналов между абонентами, называется соединительным трактом.

Процесс поиска и соединения электрических цепей называется коммутацией каналов. Сеть, обеспечивающая коммутацию каналов, называется сетью с коммутацией каналов (СКК). Узловые станции сети СКК называются станциями коммутации.

При передаче документальных сообщений кроме организации связи с коммутацией каналов возможно осуществлять поэтапную передачу сообщения от узла к узлу. Такой способ передачи получил название коммутации сообщений. Соответственно сеть, обеспечивающая коммутацию сообщений, называется сетью с коммутацией сообщений (СКС).

Разновидностью сети СКС является сеть с коммутацией пакетов (СКП). В этом случае полученное от передающего абонента сообщение разбивается на блоки (пакеты) фиксированной длины. Пакеты передаются по сети (необязательно по одному и тому же маршруту) и объединяются в сообщение перед выдачей принимающему абоненту.

Узловые станции сетей СКС и СКП называются центрами коммутации сообщений (ЦКС) и пакетов (ЦКП) соответственно.

3. Цифровые системы передачи

3.1. Преимущества цифровых систем передачи

Рассмотрим основные преимущества цифровых методов передачи перед аналоговыми.

Высокая помехоустойчивость. Представление информации в цифровой форме позволяет осуществлять регенерацию (восстановление) этих символов при передаче их по линии связи, что резко снижает влияние помех и искажений на качество передачи информации.

Слабая зависимость качества передачи от длины линии связи. В пределах каждого регенерационного участка искажения передаваемых сигналов оказываются ничтожными. Длина регенерационного участка и оборудование регенератора при передаче сигналов на большие расстояния остаются практически такими же, как и в случае передачи на малые расстояния.

Стабильность параметров каналов ЦСП. Стабильность и идентичность параметров каналов (остаточного затухания, частотной и амплитудной характеристик и др.) определяются в основном устройствами обработки сигналов в аналоговой форме. Поскольку такие устройства составляют незначительную часть оборудования ЦСП, стабильность параметров каналов в таких системах значительно выше, чем в аналоговых.

Эффективность использования пропускной способности каналов для передачи дискретных сигналов. При вводе дискретных сигналов непосредственно в групповой тракт ЦСП скорость их передачи может приближаться к скорости передачи группового сигнала. При использовании временного метода уплотнения, скорость передачи резко возрастает.

Возможность построения цифровой сети связи. Когда параметры каналов практически не зависят от структуры сети, что обеспечивает возможность построения гибкой разветвленной сети, обладающей высокими надежностными и качественными показателями.

Высокие технико-экономические показатели. Передача и коммутация сигналов в цифровой форме позволяют реализовывать оборудование на единых аппаратных платформах. Это позволяет резко снижать трудоемкость изготовления оборудования, значительно снижать его стоимость, потребляемую энергию и габариты. Кроме того, существенно упрощается эксплуатация систем и повышается их надежность.

3.2. Кодирование в цифровых системах связи

При квантовании непрерывного сигнала формируется поток бит, который оптимален с точки зрения уменьшения ошибок квантования, но не пригоден для передачи по каналу связи по ряду причин:

- выходной цифровой поток имеет широкий спектр, что затрудняет его передачу по каналу связи с ограниченной полосой пропускания и осложняет процесс регенерации сигнала синхронизации.

- спектр сигнала имеет много низкочастотных составляющих, которые могут интерферировать (смешиваться) с составляющими передаваемого низкочастотного сигнала.

- спектр содержит большую постоянную составляющую, что усложняет процесс фильтрации.

Для оптимизации спектра сигнала, передаваемого в линию связи, используется линейное кодирование, которое должно обеспечить:

- минимальную спектральную плотность на нулевой частоте и ее ограничение на нижних частотах.

- информацию о тактовой частоте передаваемого сигнала в виде дискретной составляющей, легковыделяемой на фоне непрерывной части спектра.

- непрерывный спектр должен быть узкополосным для передачи через канал связи без искажений.

- малую избыточность, для снижения относительной скорости передачи в канале связи.

- минимально возможные длины блоков повторяющихся символов («1» или «0») и диспаритетность (неравенство числа «1» и «0» в кодовых комбинациях).

Для линейного кодирования число уровней входного сигнала , а число уровней выходного сигнала может быть 2 (двухуровневые), или 3 (трехуровневые). Двухуровневое кодирование может быть однополярным (+1, 0) и двухполярным (+1, -1); трехуровневые - однополярным (+2, +1, 0) и двухполярным (+1, 0, -1). Например, электрические линии связи могут использовать как однополярные, так и двухполярные сигнала, а оптические линии - только однополярные.

В различных методах кодирования 1 может быть представлена положительным импульсом или переходом в центре импульса с +1 на 0 или -1. Ноль может быть представлен отсутствием импульса (0) или отрицательным импульсом (-1), а также переходом в центре импульса с -1 на 0 или +1.

Опишем такие основные виды кодов:

NRZ - not return to zero - основополагающий двухуровневый код без возвращения к нулю. Может быть как однополярным, так и двухполярным. При этом «1» передается положительным импульсом, а «0» - либо отсутствием импульса, либо отрицательным импульсом.

RZ - return to zero - основополагающий трехуровневый код с возвращением к нулю. При этом «1» передается переходом в центре импульса с +1 на 0, а «0» - переходом в центре импульса с -1 на 0.

ADI - alternate digital inversion - двоичный код с инверсией полярности сигнала на каждом втором двоичном разряде независимо «1» это или «0». В результате формируется двухполярный двухуровневый код.

AMI - alternate mark inversion - двоичный код RZ с инверсией на каждой «1». Может быть получен из кода ADI путем инверсии каждой четной «1». При нуле состояние импульса не меняется. Является двухполярным трехуровневым кодов.

CMI - coded mark inversion - двухуровневый код без возвращения к нулю, где каждая «1» ставиться в соответствие к комбинации «11», либо «00» - инверсия четных единиц. А «0» - изменением полярности в центре каждого импульса, т.е. в соответствие ставится комбинация «01». Является разновидностью кода 1b2b.

MBNB - общее обозначение класса блочных кодов, где M - дина (в битах) блоков, на которые разбивается исходная ИКМ последовательность, а N - соответствующая им длина (в битах) блоков, составленных из кодовых символов. Наиболее известным является класс 1B2B, в котором 1 бит исходной ИКМ последовательности длительностью T кодируется комбинацией из 2 бит длительностью (относительная скорость передачи при этом в каналах связи возрастает в 2 раза). К этому классу относится код Миллера. Код Миллера строится в соответствии с графом, где в узлах показаны комбинации кода Миллера, а переходы между узлами соответствуют изменению состояния исходного ИКМ кода.

Если начальные состояние ИКМ кода «1», то в графе Миллера преобразование начинается с узла «11». Если начальное состояние «0», то - с узла «00». Если кода 110, то в соответствии с графом Миллера мы получим такие комбинации: 1 - в 11, 1 - в 10, 0 - в 00. Для указанной выше ИКМ последовательности при помощи графа Миллера мы получили такие комбинации:

3.3. Иерархии цифровых систем передачи

Структура первичной сети предопределяет объединение и разделение потоков передаваемой информации, поэтому используемые на ней системы передачи строятся по иерархическому принципу. Применительно к цифровым системам этот принцип заключается в том, что число каналов ЦСП, соответствующее данной ступени иерархии, больше числа каналов ЦСП предыдущей ступени в целое число раз, а именно последующий уровень строится на основе n-числа каналов предыдущего уровня.

Цифровая система передачи, соответствующая первой ступени иерархии, называется первичной; в этой ЦСП осуществляется прямое преобразование относительно небольшого числа первичных сигналов в первичный цифровой поток. Системы передачи второй ступени иерархии объединяют определенное число первичных потоков во вторичный цифровой поток и т.д.

В рекомендациях МСЭ-Т представлено два типа иерархий ЦСП: плезиохронная цифровая иерархия (ПЦИ) и синхронная цифровая иерархия (СЦИ). Первичным сигналом для всех типов ЦСП является цифровой поток со скоростью передачи 64 кбит/с, называемый основным цифровым каналом (ОЦК). Для объединения сигналов ОЦК в групповые высокоскоростные цифровые сигналы используется принцип временного разделения каналов.

3.3.1. Основы мультиплексирования

Цифровые системы передачи работают с двумя типами сигналов: непрерывные и дискретные. В первом случае, при мультиплексировании цифровыми системами необходимо предварительная дискретизация сигнала с последующим формированием группового сигнала. Принципы таких операций рассмотрены при описании работы систем импульсно-кодовой модуляции.

При обработке дискретного сигнала, системы имеют дело уже с двоичным сигналом. При мультиплексировании таких сигналов, на входе с мультиплексора имеются n двоичных входных последовательностей. Коммутатор мультиплексора может последовательно отбирать из каналов любую логически осмысленную для данной сетевой топологи, последовательность бит, составляя из них выходную последовательность. Такой процесс называется интерливингом (чередованием). Различают такие виды интерливинга:

- бит-интерливинг или чередование бит - на выход коммутируются последовательно по одному биту из каждого канала.

- байт-интерливинг или чередование байтов - на выход коммутируются последовательно по одному байту из каждого канала.

- символьный интерливинг или чередование символов - на выход коммутируются последовательно по одному символу (поле длиной 7 бит - ASC2 код - американская версия, или 8 бит - ASC2 код - международная версия) из каждого канала.

- блок-интерливинг или чередование блоков - на выход коммутируются последовательно по одному блоку из каждого канала.

На пример покажем принцип мультиплексирования с бит-интерливингом.

Из каждого канала по 64 кбит/с выходят 4-ре бита, каждый длительностью 125 мкс. Время передачи блока с одного канала 500 мкс. При формировании группового канала уменьшается длительность одного бита до 31,25 мкс. В результате в 500 мкс помещается 16 бит из 4-ех каналов. Таким образом, скорость в групповом канале составляет 256 кбит/с.

3.4. Европейская плезиохронная цифровая иерархия

Покажем характеристики европейской системы плезиохронной иерархии:

Уровень иерархии	Европа
	Скорость Мбит/с	Коэффициент мультиплексирования
0	0,064	-
1	2,048	30
2	8,448	4
3	34,368	4
4	139,264	4

Где коэффициент мультиплексирования показывает, сколько каналов предыдущего уровня содержится в текущем уровне иерархии.

Скорости цифровых потоков одной и той же ступени ПЦИ, могут несколько отличаться друг от друга в пределах допустимой нестабильности частот задающих генераторов. Именно поэтому рассматриваемая иерархия ЦСП называется плезиохронной. Наличие нестабильности задающих генераторов требует принятия специальных мер при объединении потоков в поток более высокой ступени иерархии, что заметно усложняет эксплуатацию первичной сети связи в целом и снижает ее качественные показатели.

Принцип объединения и разделения цифровых потоков европейской ПЦИ показан ниже. При выделении низкоскоростного потока (например, со скоростью 0,064 Мбит/с (64 кбит/с)), на промежуточной станции необходимо иметь все оборудование промежуточных уровней иерархии между выделяемым потоком и тем который используется для передачи группового потока.



Принципы синхронизации ЦСП. В плезиохронных ЦСП используется принцип ВРК, поэтому правильное восстановление исходных сигналов на приеме возможно только при синхронной и синфазной работе генераторного оборудования (ГО) на передающей и приемной станциях. Для нормальной работы плезиохронных ЦСП должны быть обеспечены следующие виды синхронизации:

· тактовая синхронизация обеспечивает равенство скоростей обработки цифровых сигналов в линейных и станционных регенераторах, кодеках и других устройствах ЦСП, осуществляющих обработку сигнала с тактовой частотой F_Т;

· цикловая синхронизация обеспечивает правильное разделение и декодирование кодовых групп цифрового сигнала и распределение декодированных отсчетов по соответствующим каналам в приемной части аппаратуры;

· сверхцикловая синхронизация обеспечивает на приеме правильное распределение сигналов управления и взаимодействия (СУВ) по соответствующим телефонным каналам. СУВ представляют собой набор сигналов, управляющих работой АТС (набор номера, ответ, отбой, разъединение и пр.)

Нарушение хотя бы одного из видов синхронизации приводит к потере связи по всем каналам ЦСП.

Система тактовой синхронизации включает в себя задающий генератор (ЗГ), входящий в состав ГО передающего оборудования оконечной станции (Пер) и вырабатывающий импульсную последовательность тактовой частоты F_Т, и устройства выделения тактовой частоты (ВТЧ), устанавливаемые в том оборудовании, где осуществляется обработка сигнала с частотой F_Т: в линейных регенераторах (ЛР) и приемном оборудовании (Пр) оконечной станции.

Наиболее распространенным методом выделения тактовой частоты является метод пассивной фильтрации, который состоит в том, что из спектра группового цифрового сигнала с помощью ВТЧ, содержащего высокодобротные резонансные контуры, фильтры-выделители или избирательные усилители, выделяется тактовая частота. Этот способ характеризуется простотой реализации ВТЧ, но имеет существенный недостаток: стабильность выделения тактовой частоты зависит от стабильности параметров фильтра-выделителя и структуры цифрового сигнала (при появлении длинных серий нулей или кратковременных перерывов связи затрудняется процесс выделения тактовой частоты).

Цикловая синхронизация осуществляется следующим образом. На передающей станции в состав группового цифрового сигнала в начале цикла вводится цифровой синхросигнал (СС). На приемной станции устанавливается приемник синхросигнала (ПСС), который выделяет цикловой синхросигнал из группового цифрового сигнала и тем самым определяет начало цикла передачи. Цикловой синхросигнал должен обладать определенными отличительными признаками, в качестве которых используется заранее определенная и неизменная структура синхросигнала (например, 0011011 в ЦСП ИКМ-30). Групповой цифровой сигнал в силу случайного характера информационных сигналов такими свойствами не обладает.

К системе цикловой синхронизации предъявляются следующие требования:

· время вхождения в синхронизм при первоначальном включении аппаратуры и время восстановления синхронизма при его нарушении должно быть минимально возможным (1 цикл);

· приемник синхросигнала должен обладать высокой помехоустойчивостью;

· число символов синхросигнала и частота повторения должны быть минимально возможными.

Схемы ПСС включают в себя блоки обнаружения синхросигналов (СС) на основе схем совпадения, счетчики обнаружения СС в данной временной позиции, счетчики-накопители по входу в синхронизм и выходу из синхронизма.

Работа системы сверхцикловой синхронизации, как и работа системы цикловой синхронизации, основана на передаче сверхциклового синхросигнала (СЦС) в одном из циклов сверхцикла. Принцип работы приемника СЦС аналогичен работе ПСС.

Рассмотрим структуру кадра передачи ЦСП ИКМ-30. Данный поток называется первичным цифровым потоком и организуется объединением 30-ти информационных ОЦК.

Канальные интервалы КИ1-КИ15, КИ17-КИ31 отведены под передачу информационных сигналов. КИ0 и КИ16 - под передачу служебной информации. Интервалы КИ0 в четных циклах предназначаются для передачи циклового синхросигнала (ЦСС), имеющего вид 0011011 и занимающего интервалы Р2 - Р8. В интервале Р1 всех циклов передается информация постоянно действующего канала передачи данных (ДИ). В нечетных циклах интервалы P3 и Р6 КИ0 используются для передачи информации о потере цикловой синхронизации (Авар. ЦС) и снижения остаточного затухания каналов до значения, при котором в них может возникнуть самовозбуждение (Ост. зат). Интервалы Р4, Р5, Р7 и Р8 являются свободными, их занимают единичными сигналами для улучшения работы выделителей тактовой частоты.

В интервале КИ16 нулевого цикла (Ц0) передается сверхцикловой синхросигнал вида 0000 (Р1 - Р4), а также сигнал о потере сверхцикловой синхронизации (Р6 - Авар. СЦС). Остальные три разрядных интервала свободны. В канальном интервале КИ16 остальных циклов (Ц1 - Ц15) передаются сигналы служебных каналов СК1 и СК2, причем в Ц1 передаются СК для 1-го и 16-го каналов ТЧ, в Ц2 - для 2-го и 17-го и т.д. Интервалы Р3, Р4, Р6 и Р7 свободны.

Принятая структура построения ЦСП ПЦИ реализуется посредством объединения и разделения типовых цифровых потоков. Сущность любого способа объединения заключается в том, что информация, содержащаяся в поступающих потоках, записывается в запоминающие устройства, а затем поочередно считывается в моменты, отводимые ей в объединенном потоке.

В наиболее общем случае объединения асинхронных (плезиохронных) потоков в объединенный поток помимо синхросигнала, указывающего порядок объединения, вводится служебная информация, обеспечивающая необходимое согласование скоростей объединяемых потоков.

Операции разделения потоков являются обратными операциям объединения: информация объединенного потока записывается в запоминающие устройства, соответствующие исходным потокам, затем считывается со скоростями, равными скоростям объединяемых потоков.

В большинстве случаев объединение потоков осуществляется посимвольно (побитно), т.е. считывание информации из запоминающих устройств при объединении происходит по разрядам: вначале считывается и передается разряд первого потока, затем - второго и т.д., после считывания разряда последнего из объединяемых потоков вновь считывается очередной разряд первого, т.е. цикл повторяется.

Возможно объединение и по группам символов. Например, в объединенном потоке можно вначале передать все символы, относящиеся к каналу или циклу передачи первого потока, затем - такую же группу символов второго и т.д. Объединение по группам символов требует увеличения объема памяти оперативных запоминающих устройств пропорционально числу объединяемых групп символов.

3.4.1. Элементы оборудования мультиплексирования сетей PDH

3.4.1.1. Амплитудно-импульсные модуляторы

Первым шагом в получении цифрового сигнала из непрерывного является его дискретизация. На первом этапе дискретизации формируется АИМ1 сигнал. Модулятором при этом выступает транзисторный ключ.

Схема представляет собой последовательный компенсированный ключ, который управляется импульсами от генераторного оборудования (ГО). Импульсы управления подаются на промежуток база-коллектор транзисторной сборки. Через R на базы транзисторов поступает дополнительное запирающее смещение, для более надежного запирания ключей.

Вторым шагом по формированию дискретного сигнала является АИМ2, задача которого расширить длину импульса на интервал дискретизации.

Выполняется по симметричной схеме. Когда и закрыты, на обеспечивается мгновенное хранение значения данного канального интервала. За время хранения кодер успевает закодировать информацию. После этого под воздействием управляющих сигналов с ГО через формирователь импульсов ФИ ключи открываются, и перезаряжается потенциалом нового уровня, соответствующего очередному значению канального интервала. Хранение на обеспечивается тем, что входное сопротивление усилителей УС3 и УС4 более 1 МОм.

3.4.1.2. Кодер с переменным шагом кодирования

Основной функцией кодера является выполнение операций квантования и кодирования АИМ сигналов, или иными словами, аналого-цифровой преобразование. Амплитуды АИМ сигналов кодируются в двоичном симметричном коде, при этом применяется принцип уравновешивания амплитуд тока кодируемых импульсов эталонными токами.

Используются кодеры взвешивающего типа с нелинейной характеристикой квантования. Нелинейное квантование заключается в изменении интервала квантования пропорционально изменению амплитуды входного сигнала, что позволяет достичь постоянства показателя: сигнал/искажение, появляющегося при ошибках квантования из-за резких изменений амплитуды сигнала, попадающих между отсчетами квантования.

При кодировании применяется 8-ми разрядный код, где символ первого разряда несет информацию о полярности кодируемого сигнала, символы 2-го - 4-го разрядов соответствуют номеру сегмента, в пределах которого находится амплитуда сигнала. Символы остальных 4-ех разрядов соответствуют номеру интервала квантования в пределах данного сегмента. Для этого сегмента разделяется на 16 уровней с постоянным шагом квантования. Дифференциальный компаратор К определяет знак сигнала, сравнивая его амплитуду с амплитудами эталонных сигналов, формируемых ФЭС1 и ФЭС2 (положительный, отрицательный). В каждом формирователе эталонных сигналов 11 ключей, замыкание которых подает одну из эталонных условных единиц. Восьмиразрядный цифровой регистр ЦР с линией управления записывает и хранит информацию, поступающую от компаратора. Устройство преобразования сигналов управления УПСУ преобразовывает семиразрядный код (без знакового символа), поступающий с выводов ЦР в сигналы управления ключами ФЭС. Устройство коммутации УКФ пропускает эти сигналы к одному из ФЭС в зависимости от знакового символа. Формирователь выходного сигнала Ф, преобразует параллельный код в последовательный. Принцип работы кодирующей схемы поясняется диаграммой.

Если сигнал на входе компаратора положительный, то символом в 1-ом такте будет 1, а если отрицательный - 0. Поступая на УКФ, эти символы определяют, какой из ФЭС будет работать в последующих сети тактах. При воздействии на компаратор 2,3,4 управляющих импульсов от устройства управления (УУ) ищется сегмент характеристики компрессии, в пределах которого находится амплитуда. Поиск осуществляется методом поразрядного уравновешивания. При этом во втором такте на вход компаратора (2) подается средний из сети эталонных сигналов, соответствующий границам сегментов (128). В последующем последовательность смены этих эталонов зависит от результата сравнения эталонов с амплитудой кодируемого импульса. Если , то по цепи обратной связи во второй триггер ЦР передается 1, а в следующем 3-ем такте на второй вход подается средний из эталонов, значения которых больше 128 (а именно, 512). Если , то по цепи обратной связи во второй триггер ЦР передается 0, а в следующем 3-ем такте на второй вход подается средний из эталонов, значения которых меньше 128 (а именно, 32).

Аналогично в 3-ем и 4-ом тактах, но уже в сегментах в соответствие с выбором во втором такте. Таким образом, к концу 4-го такта определяется эталонный сигнал, соответствующий нижней границе сегмента, в котором находится амплитуда, а во 2-ом - 4-ом триггерах ЦР будут записан двоичный номер сегмента.

Далее определяется положение амплитуды внутри выбранного сегмента. Для этого на протяжении 5 - 8 тактов последовательно осуществляется сравнение с эталонами, разделяющими выбранный сегмент. При этом поиск также начинается от середины сегмента, а последующий выбор эталонов зависит от того, в какой части сегмента оказалась амплитуда кодируемого сигнала.

3.4.1.3. Декодер с переменным шагом квантования

Декодеры предназначены для преобразования поступающих кодовых комбинаций на основе эталонных сигналов в сигнал АИМ2. Структурная схема декодера с переменным шагом квантования:

Если в декодировании, как и в кодировании, использовать 11 эталонов, то в нулевой точке характеристики декодера будет разрыв:

Для предотвращения такого недостатка добавляется еще 12-й эталон. В результате на нулевой координате характеристика становится линейной, и ошибка квантования уменьшается с интервала дискретизации на половину интервала дискретизации. Входной ИКМ сигнал поступает на регистр ЦР содержащий схему задержки и управляемый от генераторного оборудования ГО. 1-й регистр определяет полярность непрерывного сигнала, а, следовательно, определяет работу формирователей эталонных сигналов ФЭС1 или ФЭС2. Остальные биты определяют номера используемых эталонов. Эталонные значения показаны ниже.

Разряд	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Эталон	1024	512	256	128	64	32	16	8	4	2	1	0,5

При этом элементы m с 1-го по 8-ой являются основными эталонными значениями, а к ним прибавляются дополнительные корректирующие эталоны . Это позволяет вычислить значения сигнала внутри сегмента квантования. Сам корректирующий сигнал соответствует половине минимального эталонного сигнала данного сегмента.

3.4.2. Недостатки PDH систем

- Основной недостаток PDH сети в том, что добавление выравнивающих (синхронизирующих и управления) бит делает невозможным идентификацию и вывод индивидуальных каналов без полного демультиплексирования такого потока и удаления выравнивающих бит. Такая сложность возникает в случае, когда присутствует множество пользователей на пути следования групповых потоков на скоростях 34 Мбит/с и выше. Это требует чрезмерно большого количества мультиплексоров, что делает эксплуатацию сети экономически невыгодной.

- Слабые возможности сети в организации служебных каналов для цепей контроля и управления потоков в сети, а также практически полное отсутствие возможностей маршрутизации первичных информационных мультиплексных потоков, что особенно важно в сетях передачи данных.

3.5. Синхронная цифровая иерархия

3.5.1. Общие положения

Наиболее современной технологией, используемой в настоящее время для построения сетей связи, является синхронная цифровая иерархия (СЦИ) (Synchronous Digital Hierarchy - SDH). Она обладает существенными преимуществами по сравнению с системами предшествующих поколений, позволяет полностью реализовать возможности волоконно-оптических и радиорелейных линий, создавать гибкие, надежные, удобные для эксплуатации, контроля и управления сети, гарантируя высокое качество связи. Системы СЦИ обеспечивают скорости передачи от 155 Мбит/с и выше. Аппаратура СЦИ является программно управляемой и интегрирует в себе средства преобразования, передачи, оперативного переключения, контроля, управления.

3.5.2. Общая характеристика СЦИ

СЦИ позволяет организовать универсальную транспортную систему, охватывающую все участки сети и выполняющую функции, как передачи информации, так и контроля и управления.

Линейные сигналы СЦИ организованы в так называемые синхронные транспортные модули STM (Synchronous Transport Module). Первый из них - STM-1 - соответствует скорости 155 Мбит/с. Каждый последующий имеет скорость в 4 раза большую, чем предыдущий, и образуется побайтным синхронным мультиплексированием. Уже стандартизированы STM-4 (622 Мбит/с) и STM-16 (2,5 Гбит/с), ожидается принятие и STM-64 (10 Гбит/с).

В сети СЦИ используется принцип контейнерных перевозок. Подлежащие транспортированию сигналы предварительно размешаются в стандартных контейнерах С (Container). Все операции производятся с контейнерами независимо от их содержимого. Благодаря этому и достигается возможность транспортировать различные сигналы ПЦИ, потоки ячеек АТМ или какие-либо другие сигналы.

Имеются контейнеры 4-х уровней:

Таблица 3.1.

Уровень	Контейнер	Сигнал ПЦИ, Мбит/с
1	С-11 С-12	1,5 2
2	С-2	6
3	С-3	34 и 45
4	С-4	140

Сеть СЦИ разделена на слои. Самый верхний слой образует сеть каналов, обслуживающих конечных пользователей. Группы каналов объединяются в групповые тракты различных порядков (средний слой). Групповые тракты организуются в линейные тракты, относящиеся к нижнему слою среды передачи. Он подразделяется на слой секций (мультиплексных, допускающих автономное поддержание работы сети и регенерационных, находящихся между двумя регенераторами) и слой физической среды. Взаимосвязь и расположение некоторых слоев показаны ниже.

Для организации трактов используются виртуальные контейнеры VC. Они образуются добавлением к соответствующему контейнеру трактового заголовка РОН. Виртуальные контейнеры формируются и расформировываются в точках окончания трактов. В итоге синхронный транспортный модуль STM-1 образуется добавлением к группе административных блоков AUG секционного заголовка SOH, который состоит из заголовков мультиплексной MSOH и регенерационной секций RSOH. Эти заголовки служат для контроля и управления системой передачи информации. Указатели позволяют динамично компенсировать изменения скорости и фазы нагрузки блоков. Мультиплексирование дает возможность согласовать несколько сигналов слоя трактов низшего порядка с трактом высшего порядка.

3.5.3. Форматы циклов

Циклы основных информационных структур СЦИ принято изображать графически в виде прямоугольных таблиц. Каждая клеточка такой таблицы соответствует байту. Порядок передачи байтов - слева направо, сверху вниз (так же, как при чтении текста на странице).

Покажем цикл STM-1.



Он имеет период повторения 125 мкс. Таблица имеет 9 рядов и 270 столбцов. Таким образом, каждая клеточка соответствует скорости передачи 8 бит/125 мкс = 64000 бит/с = 64 кбит/с, а вся таблица - 9 х 270 х 64 кбит/с = 155520 кбит/с.

Первые 9 столбцов цикла отведены для служебных сигналов. Ряды с 1-гo по 3-й занимает заголовок регенерационной секции RSOH, ряды с 5-го по 9-й - заголовок мультиплексной секции MSOH, 4-й ряд несет указатели административных блоков. Остальные 261=270-9 столбцов цикла предназначены для информационной нагрузки.

В качестве информационной нагрузки для STM-1 может выступать, например, виртуальный контейнер VC-4. Ему соответствует таблица 9 х 261.

Первый столбец цикла VC-4 занимает трактовый заголовок РОН, остальные - контейнер С-4, в котором размешается сигнал ПЦИ 140 Мбит/с.

3.5.4. Аппаратура СЦИ

Для обеспечения высокой надежности в аппаратуре СЦИ используются различные виды резервирования. Как правило, блоки питания и другие важнейшие узлы дублируются. Для менее важных блоков возможна установка одного резервного блока на несколько однотипных основных. В результате коэффициент простоя аппаратуры СЦИ в расчете на одно соединение имеет порядок 10^-5.

3.5.4.1. Функциональные модули цифровых синхронных сетей связи

Мультиплексоры.

Мультиплексоры - устройства, предназначенные для сборки групповых потоков, и их разборки на индивидуальные каналы. В отличие от PDH сетей, в SDH сетях мультиплексоры еще и выполняют функции устройств ввода/вывода информации (устройства терминального доступа).

PDH доступы являются электрическими; SDH доступы могут быть как электрическими, так и оптическими. Имеет два оптических выхода (восток и запад). Это позволяет работать с режимом резервирования, когда по одному каналу информация передается в основном направлении, а по другому - в резервном. Кроме того, в случае выхода мультиплексора из строя информация может проходить через него по обводному пути.

Концентраторы.

Представляет собой мультиплексоры, объединяющие несколько, как правило, однотипные потоки (со стороны входных потоков), и связывает их с основной транспортной сетью.

Такое устройство дает возможность обслуживать удаленные узлы доступа и позволяет экономить на соединительных линиях.

Регенераторы.

Имеет один входной и один выходной канал одного уровня иерархии. Предназначен для увеличения расстояния между узлами сети SDH путем регенерации (восстановления) сигналов полезной нагрузки.

Коммутаторы.

Позволяют установить связь между различными каналами путем организации временной перекрестной связи, или кросс-коммутации. Это дает возможность организовать маршрутизацию в сетях SDH на уровне виртуальных контейнеров. Различают такие виды коммутации:

1). Внутренняя - выполняется внутри мультиплексоров между входными трибами и выходными оптическими каналами.

2). Локальная коммутация - выполняется в мультиплексорах между входными каналами доступа, причем каналы доступа должны быть однотипными, так и разнотипными.

3). Проходная (сквозная) коммутация - выполняет коммутацию высокоскоростных потоков в транспортных модулях STM-N. При этом проходные коммутаторы могут выполнять следующие функции:

- маршрутизация виртуальных контейнеров на основе маршрутных заголовков в контейнере.

- консолидация или объединение виртуальных контейнеров, проводимая в режиме работы концентратора.

- трансляция потока от точки к нескольким точкам.

- сортировка или перегруппировка виртуальных контейнеров, осуществляемая с целью создания нескольких упорядоченных, например, по типу контейнеров, потоков контейнеров из общего потока.

- доступ к виртуальному контейнеру, осуществляемый при тестировании оборудования.

- ввод/вывод виртуальных контейнеров, осуществляемый при работе мультиплексора ввода/вывода.

3.5.4.2. Синхронные топологии

Синхронные мультиплексоры заменяют целый набор оборудования ПЦИ. Они не только осуществляют мультиплексирование всех уровней, но и выполняют функции оборудования линейного тракта.

На вход синхронного мультиплексора могут поступать сигналы ПЦИ и СЦИ (электрические или оптические). Существуют мультиплексоры непосредственно воспринимающие каналы 64 кбит/с, 1,5 Мбит/с, 2 Мбит/с, 6 Мбит/с, 34 Мбит/с, 45 Мбит/с, 140 Мбит/с, а также имеющие интерфейсы для подключения локальных сетей (LAN, MAN, ISDN, B-ISDN) и для работы в режиме АТМ.

На агрегатной (линейной) стороне может осуществляться передача на скоростях 155 Мбит/с (STM-1), 622 Мбит/с (STM-4) или 2,5 Гбит/с (STM-16).

Покажем основные конфигурации на основе мультиплексоров.

Топология «точка-точка».

Является наиболее распространенной топологией построения сетей.



Реализуется при помощи терминальных мультиплексоров (ТМ) как по схеме с резервированием, так и по схеме без резервирования канала передачи. Такие мультиплексоры могут использовать как электрические, так и оптические выводы. Широко применяются для организации высокоскоростных магистральных каналов, например, трансокеанские подводные кабели. Также используются для перехода между уровнями иерархии сети, например, с 622 Мб (STM4) на 2,4 Гб (STM16), с 2,4 Гб (STM16) на 10 Гб (STM64). Используются как составная часть радиально-кольцевых сетей.

Топология «Последовательная линейная цепь».

Является базовой топологией, и используется при малых загруженностях трафика, а также когда существует необходимость ответвлений в ряде точек на линии.

Реализуется при помощи терминального оборудования ТМ на обоих концах цепи и при помощи мультиплексоров ввода вывода TDM в точках ответвления. Может быть представлена в виде простой линейной цепи без резервирования, а может использовать резервный канал, как в топологии «точка-точка».

Топология «звезда».

В этой топологии один из удаленных узлов сети, связанный с центром коммутации или узлом сети SDH на центральном кольце (ADM) играет роль хаба (SMUX), где часть трафика может быть выведена на терминалы пользователей, тогда как оставшаяся часть может быть распределена по другим удаленным узлам (MUX). Такой концентратор должен быть активным, т.е. выполнять функции кросс-коммутации, это связано с увязкой разных уровней иерархии в сетях SDH, например STM-N и STM-N-1.

Топология «кольцо».

Существуют два варианта их построения: однонаправленное и двунаправленное кольцо.

При первом варианте каждый входной поток направляется вокруг кольца в двух направлениях, а на приемной стороне, осуществляется выбор лучшего сигнала. Для построения кольца используются два волокна. Передача по всем основным путям происходит в одном направлении (например, по часовой стрелке), а по всем резервным - в противоположном (деление на основной и резервный пути здесь является условным, так как они оба равноправны). Поэтому такое кольцо называется однонаправленным, с переключением трактов или с закрепленным резервом.



Рис. Однонаправленное кольцо

В случае двунаправленного кольца с двумя волокнами удвоение сигнала не производится. При нормальной работе каждый входной поток направляется вдоль кольца по кратчайшему пути в любом направлении (отсюда и название "двунаправленное"). При возникновении отказа посредством мультиплексоров ввода-вывода на обоих концах отказавшего участка осуществляется переключение всего потока информации, поступавшего на этот участок, в обратном направлении.

Рис. Двунаправленное кольцо в нормальном режиме

Рис. Двунаправленное кольцо в аварийном режиме

Однонаправленные кольца больше подходят для случаев центростремительного трафика. Это типично для сетей доступа, предназначенных для подключения пользователей к ближайшему узлу. Двунаправленные кольца более выгодны при достаточно равномерном распределении трафика, при котором становится заметным их преимущество в пропускной способности. Поэтому их применение целесообразно для соединительных сетей.

При обоих вариантах возможно сохранение полной работоспособности сети при любом одиночном отказе.

На основе перечисленных топологий возможна организация различных архитектурных решений сети SDH.

Радиально-кольцевая архитектура.

Основана на базе двух топологий: «кольцо» и «последовательная линейная цепь». Вместо последней может использоваться более простая топология «точка-точка».

При построении такой архитектуры число радиальных ветвей ограничивается из соображений допустимой нагрузки (общего числа каналов доступа на кольцо). Данный параметр характеризуется уровнем иерархии, который поддерживается кольцевой схемой, т.е. номер транспортного модуля SMN-N.

Архитектура типа «кольцо-кольцо».

Рис. Архитектура «кольцо-кольцо»: а) связь двух колец одного уровня при помощи интерфейсных карт; б) каскадное включение колец разного уровня

При этом кольца могут либо одинакового, либо разного уровней иерархии. Увязка двух одинаковых уровней иерархии выполняется при помощи интерфейсных карт, при этом возможна организация точек ответвления. В случае каскадного включения для увязки с кольцом высшего уровня иерархии используется поток более низкого уровня иерархии. Связь между кольцами выполняется по топологии «точка-точка».

Архитектура разветвленной сети общего вида.

Такая сеть формируется по ячеистому принципу, который позволяет организовать множество альтернативных маршрутов передачи информации. Это, наряду с резервированием в кольцевых сетях позволяет значительно повысить надежность работы сетей SDH.

Показана архитектура разветвленной сети, которая сформирована в виде одной сетевой ячейки, узлами которой являются коммутаторы SDXC, связанные по типу «каждый с каждым». К этому остову присоединяются периферийные сети SDH различной топологии. Такая архитектура может рассматриваться как прообраз глобальной синхронной сети SDH.

3.5.4.3 Мультиплексоры

Реализация мультиплексоров STM1.

Мультиплексор состоит из следующих блоков:

- четырех трибных интерфейсных блоков TIU с 16 электрическими портами 2 Мб/с для ввода/вывода до 63 входных потоков (блоки канала доступа).

- двух (основного и резервного) менеджеров полезной нагрузки - устройства управления и формирования полезной нагрузки. Например, управляет операциями ввода и вывода каналов доступа, мультиплексированием и внутренней коммутацией потоков, производит сортировку на уровне пакетов данных, формирует полезную нагрузку до уровня агрегатных блоков и подает ее на интерфейсы агрегатных блоков.

- двух оптических или электрических агрегатных блоков (А и Б) с выходными портами 155 Мб/с (STM1), для формирования выходных потоков. Используется для передачи информации в двух направлениях, а также для пропуска транзитной информации. Для этого они соединены между собой. Пример включения показан ниже на фоне кольцевой схемы.

- двух (основного и резервного) источников питания.

- одного контроллера и локальной панели оператора.

Возможно использование в топологиях «точка-точка» и «кольцо».

Характеристики мультиплексора и его блоков:

Интерфейсные входы и выходы блоков каналов доступа:

- скорость передачи данных на входе: 2048 кбит/с;

- линейный вход: HDB3;

- входной импеданс: 75 Ом (коаксиальный вход), 120 Ом (симметричный вход);

- амплитуда импульса на выходе: 2,37 В (75 Ом) и 3 В (120 Ом);

- номинальная длительность импульса: 244 нс;

- максимально допустимые потери в кабеле: 6 дБ;

- максимально допустимые потери на отражение на входе/выходе: -18,8 дБ.

Оптические входы и выходы агрегатных блоков:

- выходная мощность: 1 мВт;

- чувствительность приемника: -34 дБ (при коэффициенте ошибок );

- максимально допустимые потери на секцию: 28 дБ;

- длина волны: 1310 нм;

- тип волокна оптического кабеля: одномодовый.

Электрические входы и выходы агрегатных блоков:

- линейный код: CMI;

- входной импеданс: 75 Ом;

- максимально допустимые потери на отражение на входе/выходе: 15 дБ;

- максимально допустимые потери в кабеле на входе: 12,7 дБ;

- амплитуда выходного импульса: 1 В.

Реализация мультиплексоров STM4.

Состоит из:

1). Трибных блоков с набором электрических портов для приема входных потоков различной скорости (от 1,5 и 2 до 140 и 155 Мбит/с).

2). Двух пар (основной и резервный) мультиплексоров и коммутаторов для мультиплексирования, локальной коммутации и управления потоками.

3). Двух оптических агрегатных блоков с выходными портами 622 Мбит/с (STM4) для формирования выходных потоков.

4). Двух (основного и резервного) блоков питания.

5). Интерфейсами контроля и управления служебными каналами.

Может мультиплексировать различные входные потоки: до 252 или 504 потоков 1,5 Мбит/с или 2 Мбит/с, или до 12 или 24 потоков 34 Мбит/с или 45 Мбит/с, или до 4 или 8 потоков 140 Мбит/с или до 6 или 12 частично заполненных потоков 155 Мбит/с (при суммарном потоке не выше 252 или 504 потоков 2 Мбит/с) в один или два потока 622 Мбит/с, формируемых на выходе оптических агрегатных блоков.

Такой мультиплексор может выполнять следующие функции:

- терминальный мультиплексор с резервным каналом в топологии «точка-точка».

- мультиплексор ввода/вывода в сети «кольцо».

- мультиплексор ввода/вывода в топологии «точка-точка» без защиты.

- оптический концентратор в топологии «звезда».

- коммутатор, способный объединить до 4-ех колец 622 Мбит/с.

Характеристики мультиплексора и его блоков.

Интерфейсные входы и выходы трибов:

- скорость передачи данных на выходе: 45; 2; 34 и 140 Мбит/с;

- входной импеданс 75 Ом *коаксиальный вход) для 1,5 - 140 Мбит/с; 120 Ом (симметричный вход) для 1,5 и 2 Мбит/с.

Оптические входы и выходы трибов и агрегатных блоков:

- длина волны 1310 нм для коротких и средних оптических секций, 1550 нм - для длинных секций.

- максимально допустимые потери на секцию:

STM4 12 дБ для коротких, 12 дБ для средних, 24 дБ для длинных секций при 1310 нм и 24 дБ для длинных секций при 1550 нм.

STM1 18 дБ для коротких, 18 дБ для средних, 28 дБ для длинных секций при 1310 нм и 28 дБ для длинных секций при 1550 нм.

- тип волокна: одномодовый.

- оптические соединители: FC, PC или DIN.

Входы и выходы блоков с STM1:

- линейный код: CMI.

- входной импеданс: 75 Ом.

Реализация мультиплексоров STM4/16.

Имеются в виду мультиплексоры уровня STM4, позволяющие выполнять модификацию до уровня STM16.

Может использоваться в качестве:

- линейного или терминального мультиплексора с резервированием или без в топологии «точка-точка».

- мультиплексор ввода-вывода для топологии «кольцо».

- концентраторы в топологии «звезда».

- коммутатор, объединяющий до 16 STM1 портов.

Покажем структурную схему мультиплексора:

Обладает следующими характеристиками:

1). Трибные интерфейсы:

- скорость передачи данных на входе 2, 34, 45 и 140 или 155 Мбит/с (электрические) или 155 Мбит/с (оптические).

- входной импеданс 75 Ом (коаксиальный) для всех трибов; 120 Ом (симметричный) для 2 Мбит/с.