Коммерциялық емес акционерлік
қоғам
ТРАНСПОРТНЫЕ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ СЕТИ Конспект лекций
для студентов специальности
5B071900 - Радиотехника, электроника и телекоммуникации
Алматы 2019
АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ ИМ.
ГУМАРБЕКА ДАУКЕЕВА
Телекоммуникация желілері және жүйелері кафедрасы
СОСТАВИТЕЛЬ: К.С. Чежимбаева. Транспортные телекоммуникационные сети. Конспект лекций для студентов специальности 5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации.— Алматы:
АУЭС, 2019. – 45 с.
Изложены конспекты девять лекций по дисциплине «Транспортные телекоммуникационные сети». В них представлены основы построения современных транспортных цифровых сетей связи и методы их описания.
Также приведены особенности мультиплексирования в современных транспортных платформах.
Методические указания предназначены для студентов, обучающихся в бакалавриате по специальности 5В071900 – Радиотехника, электроника и телекоммуникации
Ил. 34, табл. 3, библиогр. – 15 назв.
Рецензент: старший преподаватель, магистр технических наук Ким Е.С.
Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества
«Алматинский университет энергетики и связи имени Гумарбека Даукеева»
на 2019 г.
© НАО «Алматинский университет энергетики и связи имени Гумарбека Даукеева», 2019 г.
3 Введение
Дисциплина «Транспортные телекоммуникационные сети» является базовым теоретическим курсом для студентов вузов связи. ТТС – это средство переноса информации электронными средствами или это сеть
«электромагнитных проводных и радиодорог». Эта дисциплина является обобщением и развитием дисциплины «Цифровые системы передачи».
Целью изучения дисциплины «Транспортные телекоммуникационные сети» (ТТС) является овладение знанием основных принципов построения транспортных сетей, реализованных на основе цифровых систем передачи (кабельных оптических, радио);
овладение студентами сущности явлений, происходящих при передаче информации, принципов действия технических устройств, аппаратуры и технологий PDH, SDH, ATM, WDM, NGSDH, PON, MPLS; умение правильно рассчитывать, анализировать и решать проблемы, относящиеся к цифровой передаче информации, навыков эксплуатации ТТС.
В лекциях рассмотрены принципы построения современных транспортных цифровых сетей связи, методы их описания, цифровые методы передачи информации.
В результате изучения дисциплины студенты должны четко представлять основные направления и перспективы развития транспортных телекоммуникационных сетей связи. Уметь применять новейшие направления развития транспортных сетей на основе стандартов OTN-OTH, Ethernet, T- MPLS, автоматически коммутируемых сетей (ASON/ASTN) и т.д.
4
Лекция №1. Введение в современные транспортные телекоммуникационные сети
Цель лекции: ознакомление с архитектурой современной телекоммуникационной системы.
Содержание:
– архитектура телекоммуникационных систем;
– определение системы передачи;
– принципы построения аппаратуры оптических систем передачи и транспортных сетей.
Архитектура телекоммуникационных систем.
Современные компоненты для построения телекоммуникационных устройств имеют большую номенклатуру. Условно их можно разделить на электрические и электронные, оптоэлектронные, оптические и программные.
Рисунок 1.1 – Архитектура телекоммуникационных систем
К электрическим и электронным компонентам относятся металлические кабели и провода; транзисторы и интегральные микросхемы (аналоговые и цифровые) с разной степенью интеграции; микропроцессоры; усилители;
регенераторы электрических сигналов и многие другие.
Оптоэлектронные и оптические компоненты и модули на их основе получили особенно широкое применение за последнее десятилетие в технике
5
телекоммуникаций. Среди них выделяются следующие группы изделий:
стекловолоконные световоды с возможностью передачи данных на скоростях от десятков гигабит в секунду до десятков терабит в секунду;
высокостабильные полупроводниковые и волоконные лазеры (LASER), включаемые в состав передающих оптических модулей; вы- сокочувствительные фотодетекторы, входящие в состав приемных оптических модулей; легированные эрбием усилители на оптоволокне EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier); оптические коммутаторы и маршрутизаторы OXC (Optical Cross-Connect); мультиплексоры и демультиплексоры волновых и временных оптических сигналов OADM (Optical Add-Drop Multiplexers);
компенсаторы искажений оптических сигналов, вызванных хроматической и поляризационной модовой дисперсиями; оптические процессоры на основе фотонных кристаллов.
Программные компоненты и модули представляют собой алгоритмическое обеспечение для электрических и оптических устройств, в которых реализуются последовательные или параллельные процедуры обработки сигналов, например, цифровая фильтрация, кроссовая коммутация (переключение), выравнивание фаз цифровых данных при мультиплексировании, функции управления и т. д.
В плоскости систем передачи могут рассматриваться аналоговые системы с частотным мультиплексированием каналов, типовыми групповыми трактами, электрическими и радиорелейными линейными трактами.
Системы передачи оснащаются средствами эффективного контроля, управления, резервирования участков передачи. В структуре систем передачи выделяются оконечные и промежуточные станции, которые объединяются в секции передачи: регенерации, усиления, мультиплексирования. Системы передачи являются составной частью транспортной сети связи, которая представлена отдельной плоскостью.
Плоскость транспортировки, предусматривает проработанные решения по автоматизированному созданию, вводу в эксплуатацию, контролю и защите трактов и секций с физическими и виртуальными каналами, создание таблиц маршрутизации для трактов и каналов, их контроля и управления.
Именно плоскость коммутационных услуг является базовой для создания интеллектуальных сетей, баз данных услуг и их технической и экономической доступности для пользователей. Функционирование коммутационных узлов определяет нагрузку (трафик) для транспортных сетей и их соответствующее развитие.
Плоскость пользовательских услуг отражает все известные и востребованные услуги электросвязи, к которым относятся: телефония с коммутацией каналов и IP-телефония (Voice), видеосвязь, видеоконференции, Интернет, электронная почта, звуковое вещание, цифровое телевидение, телепутешествия и т.д.
6 Определение системы передачи.
Для полноты используемых терминов ниже приводится ряд определений.
Узел сетевой — комплекс технических средств, обеспечивающий соединение сетевых станций первичной сети, образование и перераспределение сетевых трактов, типовых каналов передачи и типовых физических цепей, а также предоставление их вторичным сетям.
Станция сетевая — комплекс технических средств, обеспечивающий образование и предоставление вторичным сетям типовых физических цепей, типовых каналов передачи и сетевых трактов, а также их транзит.
Под транспортной сетью принято понимать совокупность ресурсов систем передачи (каналов, трактов, секций или участков передачи), относящихся к ним средств контроля, оперативного переключения, резервирования и управления, предназначенных для переноса информации между заданными пунктами. Составной частью транспортной сети являются сети синхронизации и управления, определения которых также приведены ниже.
Сеть синхронизации образуется совокупностью тактовых генераторов, взаимодействующих в определѐнном порядке, систем распределения синхросигналов и самими синхросигналами.
Сеть управления — специальная сеть, обеспечивающая управление сетью электросвязи и еѐ услугами путем организации взаимосвязи с компонентами сети электросвязи (сетевыми станциями и сетевыми узлами) на основе единых интерфейсов и протоколов, стандартизированных МСЭ-Т и другими организациями.
Обобщенная схема оптической системы передачи.
На рисунке 1.2 представлена обобщенная схема оптической системы передачи, в которой блоками отображены возможные виды оборудования систем передачи.
Рисунок 1.2 - Обобщенная схема оптической системы передачи
7
Принципы построения аппаратуры оптических систем передачи и транспортных сетей.
Общая структура аппаратуры (на примере оборудования SDH) транспортных сетей представлена на рисунке 1.3. В этой структуре предусмотрены:
– агрегатные (линейные) интерфейсы, в которых определены характеристики оптических передатчиков и приемников;
– функции подстройки указателей TU(Tributary Unit) и AU (Administrative Unit), мультиплексирование/демультиплексирование стандартных блоков в TUG(Tributary Unit Group), AUG(Administrative Unit Group) и STM-N для аппаратуры SDH;
– кроссовые компоненты (матрица коммутации цифровых сигналов, оптический коммутатор волновых каналов и оптических пакетов) для переключений электрических и оптических трактов с целью реализации транзита в узлах, выделения и ввода цифровых потоков и волновых каналов, защитных переключений в соединениях и т.д.;
– канальные (пользовательские) интерфейсы, предоставляемые для загрузки/выгрузки цифровых данных различным пользователям транспортной сети (электронные АТС, коммутаторы Ethernet и т.д.);
– локальное и сетевое управление с поддержкой функций интерфейсов F (RS-232) и Q (G.773), каналов передачи данных управления и протокольных наполнений;
– тактовая сетевая синхронизация с возможностью программирования приоритетов выбора синхросигналов и портов их ввода, например, порт ТЗ, или линейные порты, или компонентные порты Е1, а также вывода синхросигнала в порт Т4;
– сигнализация обслуживания для световой и звуковой индикации аномальных состояний в корзине оборудования, на стойке, в ряде и т.д.;
– электропитание аппаратуры, осуществляемое от источников питающих напряжений 48 В и 60 В.
Рисунок 1.3 - Общая структура аппаратуры транспортных сетей
8
Лекция №2. Характеристики модели оптических транспортных сетей
Цель лекции: изучение модели транспортных сетей.
Содержание:
– модель транспортной сети SDH;
– модель транспортной сети ATM;
– модель транспортной сети OTN-OTH;
– модель транспортной сети Ethernet.
Учитывая динамичный рост потребностей в передаче информации, возрастание требований по качеству передачи, защищенности и управляемости соединений, МСЭ-Т разрабатывает и совершенствует стандарты на передачу информации в оптических системах. Одним из основных направлений деятельности МСЭ-Т стало принятие концепции построения транспортных сетей, опубликованной в виде Рекомендации G.805, и разработки моделей транспортных сетей, базирующихся на волоконно- оптических и радиорелейных системах передачи. При этом основная роль отводится волоконно-оптическим системам. Описание моделей транспортных сетей, технологических схем мультиплексирования, интерфейсов, оборудования, управления, синхронизации и т.д. приводится в большом пакете рекомендаций МСЭ-Т серий G, Y, I, X и т.д.
В настоящее время транспортные сети строятся в соответствии с моделями (рисунок 2.1).
Рисунок 2.1 - Модели транспортных сетей связи, определенные МСЭ-Т
9
Эти рекомендации используются производителями оборудования и сетевыми операторами при проектировании, запуске и эксплуатации транспортных сетей.
Модель транспортной сети SDH.
Модель транспортной сети SDH представлена тремя самостоятельными по своей организации уровнями: среды передачи, трактов (маршрутов передачи информации), каналов.
Уровень среды передачи базируется преимущественно на оптоволоконных линиях (среда передачи), в которых создаются секции регенерации цифровых линейных сигналов и секции мультиплексирования цифровых данных. Среда передачи содержит: волоконные световоды в конструкциях различных кабелей; электрооптические преобразователи на передаче и оптоэлектронные преобразователи на приеме; оптические усилители, оптические аттенюаторы и компенсаторы дисперсии; разъѐмные и неразъѐмные оптические соединители; линейные кодеры и декодеры;
оптические модуляторы и оптические детекторы.
Уровень трактов сети SDH подразделѐн на два подуровня: высокий и низкий — стандартно обозначаемых в технической литературе: HOVC (Higher Order Virtual Container) — виртуальный контейнер верхнего уровня и LOVC (Lower Order Virtual Container) — виртуальный контейнер нижнего уровня.
Виртуальные контейнеры высокого и низкого уровней представляют собой циклические цифровые ѐмкости, предоставляемые под загрузку информационными данными с подходящими скоростями. Виртуальные контейнеры низкого уровня могут объединяться для размещения в виртуальные контейнеры высокого уровня.
Уровень каналов сети SDH обеспечивает интерфейсы для пользователей транспортной сети. Учитывая, что транспортная сеть SDH является частью первичной сети связи, на уровне каналов производится согласование с вторичными сетями (пользователями), например, с телефонными сетями через потоки цифровых данных 2,048 Мбит/с (Е1), с сетями Ethernet на скоростях передачи 10, 100 и 1000 Мбит/с, через сцепки виртуальных контейнеров и протоколы согласования.
Модель транспортной сети ATM.
Модель транспортной сети ATM представлена тремя самостоятельными по своей организации уровнями: среды передачи, асинхронного режима передачи, адаптации ATM.
Уровень среды передачи в модели транспортной сети ATM может быть реализован, согласно стандартам ATM, любой системой передачи, например, системами с плезиохронным мультиплексированием (PDH) или системами синхронного мультиплексирования (SDH). При этом допускается использование любой среды и оборудования передачи (медные провода с модемами xDSL, радиоканалы с соответствующими радиочастотными преобразователями, атмосферные оптические каналы с соответствующими средствами сопряжения, волоконно-оптические системы).
10
Уровень ATM разбит на подуровни виртуального канала и виртуального пути. Эти образования уровня ATM связаны с единицами представления данных, называемыми ячейками и имеющими ѐмкость 53 байта. Эта ѐмкость поделена на поле заголовка длиной 5 байт и поле нагрузки (сегмент пользователя) длиной 48 байт.
Уровень адаптации ATM выполняет функции интерфейса между транспортной сетью ATM с еѐ виртуальными соединениями и пользователями транспортных услуг (вторичными сетями связи), например, телефонными сетями, сетью Интернет, локальными сетями Ethernet и т.д. При этом различным видам трафика определены различные типы уровневой адаптации AAL (ATM Adaptation Level , AAL-1, AAL-2, AAL-3/4, AAL-5), предусматривающие формирование различных по структуре сегментов для пользовательской нагрузки.
Рисунок 2.2 – Формирование потока ячеек транспортной сети АТМ Модель транспортной сети OTN-OTH.
Модель транспортной сети OTN-OTH представлена двумя самостоятельными по своей организации уровнями: сети OTN и пользователя.
Уровень сети OTN состоит из трѐх физически и логически связанных подуровней: среды передачи сигналов с разделением по длине волны (WDM);
оптических секций ретрансляции OTS (Optical Transmission Section) и мультиплексирования OMS (Optical Multiplex Section); оптических каналов OCh (Optical Channel) с нагрузкой в виде оптических транспортных блоков OTUk (Optical Transport Unit-k) с включением в них блоков данных оптических каналов ODUk (Optical channel Data Unit-k), которые, в свою
11
очередь, включают блоки полезной нагрузки оптических каналов OPUk (Optical Channel Payload Unit-k). Индекс k соответствует иерархической ступени ОТН (к - 1,2,3) и указывает на различные по длительности, ѐмкости и скорости передачи циклы.
Уровень пользователя оптической транспортной сети OTN-OTH выполняет функции интерфейса между транспортной сетью и сетями пользователей транспортных услуг, к которым относятся сети SDH, ATM, Ethernet и др.
Модель транспортной сети Ethernet.
Модель транспортной сети Ethernet состоит из двух уровней: уровень среды передачи кадров Ethernet и формирования кадров (пакетов) Ethernet.
Уровень среды передачи сети Ethernet может быть реализован на базе медных проводов, волоконных световодов, радиоканалов и атмосферных оптических каналов с использованием соответствующих конверторов сигналов (приѐмопередатчиков), что характерно для локальных и городских сетей связи, и это наиболее экономичное решение относительно других моделей транспортных сетей.
Уровень формирования кадров (пакетов) Ethernet состоит из двух подуровней: управления логическим каналом LLC (Logical Link Control) и управления доступом к среде передачи MAC (Medium Access Control). Эти подуровни протокольные, т.е. их функции предписаны определенными алгоритмами для процессоров, которые формируют кадры с информационными данными и служебными сообщениями.
Логическим развитием модели транспортной сети Ethernet стала модель транспортной сети с пакетной передачей и коммутацией по меткам T-MPLS (Transport Multi-Protocol Label Switching — транспортная многопротокольная коммутация по меткам). Решения по этой технологии представлены рядом рекомендаций МСЭ-Т:
- G.8110 - архитектура уровней сети MPLS;
- G.8110.1 - применение MPLS в транспортной сети;
- G.8112 - интерфейс между узлами сети MPLS;
- G.8121 - функции оборудования MPLS;
- Y.1720 (G.8131) - защитные переключения в сети MPLS;
- Y.17H - механизмы обслуживания и эксплуатации в сети MPLS.
Разработка этой модели нацелена на повышение эффективности использования ресурсов магистральных и внутризоновых оптических транспортных сетей с технологиями циклической цифровой передачи: PDH, SDH и ОТН. Кроме того, для местных и локальных сетей, где преобладает использование передачи Ethernet на скоростях 100, 1000 и 10000 Мбит/с, применение протокола T-MPLS позволит внедрить широкий спектр услуг по передаче речи (IP-телефония), видеоизображение (IPTV-телевидение), Интернет и т.д. Структура и соответствующие ей интерфейсы T-MPLS рассматриваются в следующей главе.
12
Лекция №3. Системы передачи с синхронной цифровой иерархией (SDH)
Цель лекции: изучение основных особенностей синхронной цифровой иерархией (SDH).
Содержание:
– структура синхронного транспортного модуля STM-1;
– формирование модуля STM-16;
– размещение контейнеров в модуле STM-1.
Структура синхронного транспортного модуля STM.
Цифровая иерархия SDH – это способ мультиплексирования различных цифровых данных в единый блок, называемый синхронным транспортным модулем (STM), с целью передачи этого модуля по линии связи. Упрощѐнная структура STM показана на рисунке 3.1.
Рисунок 3.1 – Структура синхронного транспортного модуля STM-1 Модуль представляет собой фрейм (рамку) 9∙270 = 2430 байт.
Кроме передаваемой информации (называемой в литературе полезной нагрузкой), он содержит в 4-й строке указатель (Pointer, PTR), определяющий начало записи полезной нагрузки. Чтобы определить маршрут транспортного модуля, в левой части рамки записывается секционный заголовок (Section Over Head – SOH). Нижние 5∙9 = 45 байтов (после указателя) отвечают за доставку информации в то место сети, к тому мультиплексору, где этот транспортный модуль будет переформировываться. Данная часть заголовка так и называется: секционный
13
заголовок мультиплексора (MSOH). Верхние 3∙9 = 27 байтов (до указателя) представляют собой секционный заголовок регенератора (RSOH), где будут осуществляться восстановление потока, «поврежденного» помехами, и исправление ошибок в нем.
Один цикл передачи включает в себя считывание в линию такой прямоугольной таблицы. Порядок передачи байтов – слева направо, сверху вниз (так же, как при чтении текста на странице).
Продолжительность цикла передачи STM-1 составляет 125 мкс, т.е. он повторяется с частотой 8 кГц. Каждая клеточка соответствует скорости передачи 8 бит ∙ 8 кГц = 64 кбит/с. Значит, если тратить на передачу в линию каждой прямоугольной рамки 125 мкс, то за секунду в линию будет передано 9∙270∙64 кбит/с = 155520 Кбит/с, т.е. 155 Мбит/с.
Таблица 3.1 – Синхронная цифровая иерархия Уровень
иерархии
Тип синхронного транспортного модуля
Скорость передачи, Мбит/с
1 STM-1 155,520
2 STM-4 622,080
3 STM-16 2488,320
4 STM-64 9953,280
Для создания более мощных цифровых потоков в SDH- системах формируется следующая скоростная иерархия (таблица 3.1):
4 модуля STM-1 объединяются путем побайтного мультиплексирования в модуль STM-4, передаваемый со скоростью 622,080 Мбит/с; затем 4 модуля STM-4 объединяются в модуль STM-16 со скоростью передачи 2488,320 Мбит/с; наконец 4 модуля STM-16 могут быть объединены в высокоскоростной модуль STM-64 (9953,280 Мбит/с).
Формирование модуля STM-16.
На рисунке 3.2 показано формирование модуля STM-16.
Сначала каждые 4 модуля STM-1 с помощью мультиплексоров с четырьмя входами объединяются в модуль STM-4, затем четыре модуля STM-4 мультиплексируются таким же четырѐхвходовым мультиплексором в модуль STM-16. Однако существует мультиплексор на 16 входов, с помощью которого можно одновременно объединить 16 модулей STM-1 в один модуль STM-16.
14
Рисунок 3.2 – Формирование синхронного транспортного модуля STM–
16
Размещение контейнеров в модуле STM-1.
Формирование модуля STM-1. В сети SDH применены принципы контейнерных перевозок. Подлежащие транспортировке сигналы предварительно размещаются в стандартных контейнерах (Container – С). Все операции с контейнерами производятся независимо от их содержания, чем и достигается прозрачность сети SDH, т.е. способность транспортировать различные сигналы, в частности, сигналы PDH. Наиболее близким по скорости к первому уровню иерархии SDH (155,520 Мбит/с) является цифровой поток со скоростью 139,264 Мбит/с, образуемый на выходе аппаратуры плезиохронной цифровой иерархии ИКМ-1920. Его проще всего разместить в модуле STM-1. Для этого поступающий цифровой сигнал сначала «упаковывают» в контейнер, т.е. размещают на определенных позициях его цикла, который обозначается С-4. Рамка контейнера С-4 содержит 9 строк и 260 однобайтовых столбцов. Добавлением слева еще одного столбца – маршрутного или трактового заголовка (Path Over Head – РОН) – этот контейнер преобразуется в виртуальный контейнер VC-4.
Наконец, чтобы поместить виртуальный контейнер VC-4 в модуль STM- 1, его снабжают указателем (PTR), образуя таким образом административный блок AU-4 (Administrative Unit), а последний помещают непосредственно в модуль STM-1 вместе с секционным заголовком SOH.
Синхронный транспортный модуль STM-1 можно загрузить и плезиохронными потоками со скоростями 2,048 Мбит/с. Такие потоки формируются аппаратурой ИКМ-30, они широко распространены в
15
современных сетях. Для первоначальной «упаковки» используется контейнер С12. Цифровой сигнал размещается на определенных позициях этого контейнера. Путем добавления маршрутного, или транспортного, заголовка (РОН) образуется виртуальный контейнер VC-12. Виртуальные контейнеры формируются и расформировываются в точках окончаниях трактов.
Рисунок 3.3 – Размещение контейнеров в модуле STM-1
В модуле STM-1 можно разместить 63 виртуальных контейнера VC-12.
При этом поступают следующим образом. Виртуальный контейнер VC-12 снабжают указателем (PTR) и образуют тем самым транспортный блок TU-12 (Tributary Unit). Теперь цифровые потоки разных транспортных блоков можно объединять в цифровой поток 155,520 Мбит/с. Сначала три транспортных блока TU-12 путем мультиплексирования объединяют в группу транспортных блоков TUG-2 (Tributary Unit Group), затем семь групп TUG-2 мультиплексируют в группы транспортных блоков TUG-3, а три группы TUG- 3 объединяют вместе и помещают в виртуальный контейнер VC-4. Далее путь преобразований известен.
Лекция №4. Схема мультиплексирования SDH и базовые элементы Цель лекции: изучение схемы мультиплексирования SONET/SDH и базовых элементов.
Содержание:
– размещения в STM-N;
– структурная схема мультиплексора;
– структурную схему мультиплексора на примере.
На рисунке 4.1 показан также способ размещения в STM-N, N=1,4,16 различных цифровых потоков от аппаратуры плезиохронной цифровой иерархии. Плезиохронные цифровые потоки всех уровней размещаются в контейнерах С с использованием процедуры
16
выравнивания скоростей (положительного, отрицательного и двухстороннего). Наличие большого числа указателей (PTR) позволяет совершенно четко определить местонахождение в модуле STM-N любого цифрового потока со скоростями 2,048; 34,368 и 139,264 Мбит/с. Выпускаемые промышленностью мультиплексоры « ввода- вывода» (Add/Drop Multiplexer – ADM) позволяют ответвлять и добавлять любые цифровые потоки.
Рисунок 4.1 – Ввод плезиохронных цифровых потоков в синхронный транспортный модуль STM-N
Важной особенностью аппаратуры SDH является то, что в трактовых и сетевых заголовках, помимо маршрутной информации, создается много информации, позволяющей обеспечить наблюдение и управление всей сетью в целом, осуществлять дистанционные переключения в мультиплексорах по требованию клиентов, осуществлять контроль и диагностику, своевременно обнаруживать и устранять неисправности, реализовать эффективную эксплуатацию сети и сохранить высокое качество предоставляемых услуг.
Основным отличием системы SDH от системы PDH является переход на новый принцип мультиплексирования. В системе SDH производится синхронное мультиплексирование/демультиплексирование, которое позволяет организовывать непосредственный доступ к каналам PDH, которые передаются в сети SDH.
Важной особенностью аппаратуры SDH является то, что в трактовых и
17
сетевых заголовках, помимо маршрутной информации, создается много информации, позволяющей обеспечить наблюдение и управление всей сетью в целом, осуществлять дистанционные переключения в мультиплексорах по требованию клиентов, осуществлять контроль и диагностику, своевременно обнаруживать и устранять неисправности, реализовать эффективную эксплуатацию сети и сохранить высокое качество предоставляемых услуг.
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. 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.
Структурная схема мультиплексора.
Структурная схема мультиплексора определяется, в первую очередь, его конфигурацией, которая, в свою очередь, зависит от конкретных сетевых задач, выполняемых данным мультиплексором. Кроме того, структурная схема определяется элементной базой, технологией и особенностями производства. Определенную роль в формировании структурной схемы играют также конструкция мультиплексора и традиции производителя.
Наиболее широкое распространение получили модульные конструкции мультиплексоров, позволяющие изменением набора сменных модулей изменять конфигурацию мультиплексора в соответствии с конкретными задачами и, главное, наращивать его возможности по мере развития сети.
Следует отметить, что модульные мультиплексоры, при их очевидных технических достоинствах, относительно дороги, поэтому широкое распространение получают также «мини» мультиплексоры. Последние имеют неизменяемую конфигурацию и минимум функций, например, из них исключается функция соединения трактов (кросс-коннекции), уменьшаются возможности резервирования и так далее.
Рассмотрим структурную схему мультиплексора на примере модульного мультиплексора четвертого уровня синхронной цифровой иерархии (формирующего синхронные модули STM-4). Эта схема показана на рисунке 4.2.
Этот блок реализует функции соединения трактов высокого и низкого уровней НРС-n и LPC-m. На блок КМ сигналы поступают в формате виртуальных контейнеров VC-4, временная коммутация сигналов осуществляется на уровнях VC-11, VC-12, VC-3 и VC-4 и разделяется между магистральными направлениями передачи и потоками доступа. В
18
мультиплексорах четвертого уровня возможности коммутационного блока эквивалентны обычно 24 потокам STM-1 (63 х 24 = 1512 потокам 2 Мбит/с).
Поскольку блок КМ один из наиболее сложных, по возможности, он за- меняется более простыми. Так, в конфигурации регенератора, вместо коммутационного устанавливается блок, обеспечивающий простое соединение между двумя линейными блоками. В конфигурации терминального (оконечного) мультиплексора коммутационный блок может быть заменен значительно более простым, обеспечивающим соединение магистральных сигналов и сигналов доступа без функции их коммутации. Однако блок КМ, кроме того, часто выполняет функции защиты линии и пути передачи.
К блокам коммутации примыкают четыре интерфейсных группы (ИГ А, В, С, D). Две из них (ИГ А и ИГ В) обычно комплектуются интерфейсными блоками синхронных потоков, а две (ИГ С и ИГ D) служат для подключения интерфейсных блоков сигналов доступа. В частности, на рисунке 4.2 показано, что группа А содержит два интерфейсных блока STM-4 (один основной, другой резервный, резервирование типа 1+1); группа В - четыре оптических (или электрических) интерфейсных блока STM-1, объединяемых попарно (один основной; другой резервный, резервирование также типа 1+1); группа С - четыре интерфейсных блока потоков 2 Мбит/с, а группа D - пять блоков потоков 140 Мбит/с. Каждый интерфейсный блок потоков 2 Мбит/с имеет 21 порт для подключения каналов доступа; блоки эти резервированы в отношении 3:1 (один резервный на три рабочих). При отказе одного из рабочих блоков соответствующие каналы доступа переключаются на резервный с помощью платы переключения на резерв ПР. Аналогично, каждый из четырех каналов доступа 140 Мбит/с также может быть переключен на резервный блок (резерв 4:1).
В интерфейсных блоках STM-4 на передаче осуществляются следующие преобразования сигналов:
- поступающие от блока коммутации сигналы нагрузочных блоков TU- 12, TU-3 вкладываются в виртуальные контейнеры VC-4, к которым добавляются указатели PTR (образуются административные блоки AU-4);
- к четырем блокам AU-4, полученным в результате преобразования нагрузочных блоков или поступившим от блока коммутации, добавляются секционные подзаголовки MSOH и RSOH (образуются четыре сигнала STM- 1);
- четыре сигнала STM-1 мультиплексируются в сигнал STM-4;
- электрический сигнал STM-4 скремблируется, преобразуется в оптический и поступает на выходной разъем блока STM-4.
На приеме:
- оптический сигнал STM-4 преобразуется в электрический и дискремблируется;
- сигнал STM-4 демультиплексируется на четыре сигнала STM-1;
- удаляются RSOH и MSOH, обрабатывается указатель PTR AU;
19
- сигналы AU-4 передаются на блок коммутации или преобразуются в сигнал VC-4;
- из сигнала VC-4 выделяются сигналы TU-12 и TU-3 и передаются на блок коммутации.
Аналогично обрабатываются сигналы STM-1 в интерфейсных блоках STM-1.
Сигналы потока доступа 140 Мбит/с (139264 кбит/с) в интерфейсном блоке на передаче преобразуются из кода CMI в код NRZ; к нему добавляются биты фиксированной вставки и служебные биты и трактовый заголовок РОН.
Таким образом, сигналы потока доступа преобразуются в сигналы VC-4.
Дальнейшее преобразование аналогично преобразованиям в блоке STM-1. На передаче осуществляются обратные преобразования.
Интерфейсный блок потоков доступа 2 Мбит/с (2048 кбит/с) на передаче преобразует 21 поступающий поток 2 Мбит/с из кода HDB3 в код NRZ.
Далее, в соответствии с типом ввода (асинхронный, бит-синхронный или другой) образуется 21 поток виртуальных контейнеров VC-12, которые последовательно преобразуются в семь сигналов TUG-2 и далее в один сигнал TUG-3. Сигнал TUG-3 передается на блок коммутации. На приеме осуществляются обратные преобразования.
В нижней части структурной схемы мультиплексора на рисунке 4.2 показаны еще три блока: управления, генератора и доступа к заголовкам.
Блок управления (контроллер системы) осуществляет управление оборудованием.
Рисунок 4.2 – Структурная схема синхронного мультиплексора модульной конструкции
20
Лекция №5. Пассивные оптические сети (PON)
Цель лекции: изучение пассивные оптических сетей (PON).
Содержание:
– история появления технологии PON;
– топология технологии пассивных оптических сетей PON.
Развитие сети Internet, в том числе появление новых услуг связи, способствует росту передаваемых по сети потоков данных и заставляет операторов искать пути увеличения пропускной способности транспортных сетей. При выборе решения необходимо учитывать:
- разнообразие потребностей абонентов;
- потенциал для развития сети.
Технология пассивных оптических сетей PON (passive optical network) – это распределительная сеть доступа PON, основанная на древовидной волоконной кабельной архитектуре с пассивными оптическими разветвителями на узлах, возможно, представляется наиболее экономичной и способной обеспечить широкополосную передачу разнообразных приложений. При этом архитектура PON обладает необходимой эффективностью наращивания как узлов сети, так и пропускной способности в зависимости от настоящих и будущих потребностей абонентов.
Топология технологии пассивных оптических сетей PON.
Можно выделить следующие топологии оптических сетей доступа: «точка-точка», « кольцо», « дерево с активными узлами»,
« дерево с пассивными оптическими элементами».
Наиболее простая архитектура. Основной минус связан с низкой эффективностью кабельных систем. Необходимо вести отдельный ВОК из центрального офиса в каждое здание или к каждому корпоративному абоненту. Данный подход может быть реализуем в том случае, когда абонентский узел (здание, офис, предприятие), к которому прокладывается выделенная кабельная линия, может использовать эти линии рентабельно. Топология P2P не накладывает ограничения на используемую сетевую технологию. P2P может быть реализована как для любого сетевого стандарта, так и для нестандартных решений, например, для оптических модемов. С точки зрения безопасности и защиты передаваемой информации при соединении P2P обеспечивается максимальная защищенность абонентских узлов.
Поскольку ОК нужно прокладывать индивидуально до каждого абонента, этот подход является наиболее дорогим, и он привлекателен, в основном, для крупных корпоративных клиентов.
21
Рисунок 5.1 – Фундаментальные топологии оптических сетей доступа Кольцевая топология на основе SDH положительно зарекомендовала себя в городских телекоммуникационных сетях. Однако в сетях доступа не все обстоит так же хорошо. Если при построении городской магистрали расположение узлов планируется на этапе проектирования, то в сетях доступа нельзя заранее знать, где, когда и сколько абонентских узлов будет установлено. При случайном территориальном и временном подключении пользователей кольцевая топология может превратиться в сильно изломанное кольцо с множеством ответвлений, подключение новых абонентов осуществляется путем разрыва кольца и вставки дополнительных сегментов. На практике часто такие петли совмещаются в одном кабеле, что приводит к появлению колец, похожих больше на ломаную – «сжатых» колец (collapsed rings), что значительно снижает надежность сети. И тогда главное преимущество кольцевой топологии сводится к минимуму.
Дерево с активными узлами – это экономичное, с точки зрения использования волокна, решение. Это решение хорошо вписывается в рамки стандарта Ethernet с иерархией по скоростям от центрального узла к абонентам 1000/100/10 Мбит/с (1000Base-LX, 100BaseFX, 10Base-FL).
Стандарт IEEE 802.3 Ethernet давно перестал ограничиваться нишей корпоративных сетей. Строящиеся таким образом сети могут иметь достаточно сложную и разветвленную древовидную архитектуру. Однако в каждом узле дерева обязательно должно находиться активное устройство (применительно к IP-сетям -
22
коммутатор или маршрутизатор). Оптические сети доступа Ethernet, преимущественно использующие данную топологию, относительно недороги. К основному недостатку следует отнести наличие на промежуточных узлах активных устройств, требующих индивидуального питания.
Дерево с пассивным оптическим разветвлением PON-P2MP.
Частным случаем, когда в качестве пассивного оптического элемента выступает оптический разветвитель, является сеть PON – решение, становящееся массовым во всем мире. Сеть PON использует топологию
«точка-многоточка» P2MP (point-to-multipoint). К одному порту центрального узла может быть подключен целый волоконно-оптический сегмент древовидной архитектуры, охватывающий десятки абонентов.
При этом оптические разветвители, устанавливаемые в промежуточных узлах дерева, полностью пассивны и не требуют питания и специализированного обслуживания.
В топологии P2MP за счет оптимизации размещения разветвителей можно достичь значительной экономии оптических волокон и снижения стоимости кабельной инфраструктуры.
Абонентские узлы не влияют на работоспособность сети в целом.
Подключение, отключение или выход из строя одного или нескольких абонентских узлов никак не сказывается на работе остальных.
Преимущества архитектуры PON:
– отсутствие промежуточных активных узлов;
– экономия волокон;
– экономия оптических приемопередатчиков в центральном узле;
– легкость подключения новых абонентов и удобство обслуживания.
Древовидная топология P2MP позволяет оптимизировать размещение оптических разветвителей, исходя из реального расположения абонентов, затрат на прокладку ОК и эксплуатацию кабельной сети. К недостатку можно отнести возросшую сложность технологии PON и отсутствие резервирования в простейшей топологии дерева.
Оптический разветвитель – это пассивный оптический многополюсник, распределяющий поток оптического излучения в одном направлении и объединяющий несколько потоков в обратном направлении. В общем случае у разветвителя может быть M входных и N выходных портов. В сетях PON наиболее часто используют разветвители 1xN с одним входным портом. Разветвители 2xN могут использоваться в системе с резервированием по волокну. По рабочей полосе пропускания разветвители делятся на стандартные однооконные (раб 10 нм), широкополосные однооконные (раб 40 нм) и двухоконные (1310 40 нм и 1550 40 нм). Для сетей PON используются только двухоконные разветвители. В указанных рабочих окнах характеристики разветвителя должны быть стабильными.
Принцип действия PON. Основная идея архитектуры PON –
23
использование всего одного приемо-передающего модуля в OLT для передачи информации множеству абонентских устройств ONU и приема информации от них. Реализация этого принципа показана на рисунке 5.2. Число абонентских узлов, подключенных к одному приемо-передающему модулю OLT, может быть настолько большим, насколько позволяет бюджет мощности и максимальная скорость приемопередающей аппаратуры. Для передачи потока информации от OLT к ONU – прямого (восходящего) потока, как правило, используется длина волны 1550 нм. Наоборот, потоки данных от разных абонентских узлов в центральный узел, совместно образующие обратный (нисходящий) поток, передаются на длине волны 1310 нм. В OLT и ONU встроены мультиплексоры WDM, разделяющие исходящие и входящие потоки.
Прямой поток. Прямой поток на уровне оптических сигналов является широковещательным. Каждый ONU, читая адресные поля, выделяет из этого общего потока предназначенную только ему часть информации (рисунок 5.2).
Фактически мы имеем дело с распределенным демультиплексором.
Рисунок 5.2 – Основные элементы архитектуры PON и принцип действия
Обратный поток. Все абонентские узлы ONU ведут передачу в обратном потоке на одной и той же длине волны, используя концепцию множественного доступа с временным разделением TDMA (time division multiple access). Для того чтобы исключить возможность
