Реферат: Плезиохронная и синхронная цифровые иерархии

Плезиохронная и синхронная цифровые иерархии.

В настоящее время происходит переоснащение первичных сетей связи, связанное, прежде всего, с увеличением темпов строительства волоконно-оптических линий связи, обладающих рядом преимуществ перед линиями, построенными на традиционных кабелях с медными жилами. Новые высокоскоростные технологии постепенно завоевывают телекоммуникационное пространство. Однако для больших многоуровневых и протяженных сетей связи новые технологии еще довольно продолжительное время будут не только существовать, но и взаимодействовать в рамках единой сети с оборудованием, установленным и освоенным ранее. Такой сетью является сеть связи железнодорожного транспорта, где аналоговое оборудование, физические цепи соседствуют с цифровыми системами передачи информации, которые, в свою очередь, также развиваются очень интенсивно.

Казалось бы, совсем недавно, около 10 лет назад, на сети МПС появились первые цифровые линии связи со скоростями передачи 2048 и 8448 кбит/с, а сегодня вдоль железнодорожных магистралей работают системы со скоростями 622 Мбит/с, проектируются со скоростями 2,5 и даже 10 Гбит/с. Все уже привыкли к термину синхронная цифровая иерархия (СЦИ). При этом считается, что традиционная иерархия, которую стали называть плезиохронной (ПЦИ), обладает существенными недостатками и неперспективна. Рассмотрим еще раз эти две иерархии, чтобы определить возможное место каждой из них на сети связи МПС.

Итак, исторически, первой появилась плезиохронная иерархия, которая была единственной с начала 60-х до конца 80-х гг. Поэтому не было необходимости в термине ПЦИ.

Первой системой передачи информации с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ), выпущенной предприятием фирмы Белл в 1961 г., была двадцатичетырех-канальная система со скоростью передачи цифрового сигнала в линии 144 кбит/с. Она послужила основой для североамериканского стандарта ПЦИ, который получил признание МККТТ и используется по настоящее время. Однако для Европейского региона МККТТ принял другой стандарт иерархии, который основывается на первичной цифровой системе передачи (ЦСП) типа ИКМ-ЗО со скоростью передачи цифрового сигнала 2048 кбит/с. Первые разработки ЦСП в нашей стране — аппаратура ИКМ-12, ИКМ-24 — не соответствовали этим требованиям, поэтому в дальнейшем был организован выпуск аппаратуры, соответствующей стандартному ряду ИКМ-ЗО, 120, 480, 1920.

Первичная ЦСП ИКМ-ЗО используется на телефонных сетях в основном для организации соединительных линий между автоматическими телефонными станциями (АТС), а также как каналообразующая аппаратура для аналого-цифрового преобразования в системах передачи более высоких ступеней иерархии. Основные ее параметры, установленные в соответствии с рекомендациями Международного консультативного комитета по телефонии и телеграфии (МККТТ), таковы: количество телефонных каналов — 30 при 32 канальных интервалах, частота дискретизации — 8 кГц, количество разрядов кодека — 8, скорость передачи 32х8х8 — 2048 кбит/с. Два дополнительных канальных интервала предусмотрены для передачи синхросигналов и других служебных сигналов, например, сигналов управления и взаимодействия между АТС или данных при организации общего канала сигнализации (ОКС). Современная терминология, применяемая в цифровой технике телекоммуникаций, все дальше отходит от традиционного названия ИКМ-ЗО. Все чаще используется понятие первичный мультиплексор или аппаратура цифрового каналообразования (АЦК), так как назначением первого этапа иерархического преобразования сигналов является мультиплексирование различных сигналов, поступающих на вход мультиплексора в первичный цифровой тракт ПЦТ 2048 кбит/с на передаче, демультиплексирование и обратное преобразование на приеме. При этом объединяемые сигналы могут быть как аналоговые, так и цифровые. В качестве метода аналого-цифрового преобразования может использоваться не только импульсно-кодовая модуляция.

Если раньше можно было с определенностью считать, что вторичная ЦСП ИКМ-120 предназначена для организации 120 каналов тональной частоты, то, учитывая предыдущее замечание, а также то, что ПЦТ может быть целиком использован как широкополосный канал передачи данных, т. е. как первичный цифровой канал ПЦК, правильным будет утверждение, что оборудование второй ступени ПЦИ предназначено для объединения четырех первичных цифровых каналов ПЦК или трактов ПЦТ с пропускной способностью 2048 кбит/с в один групповой вторичный тракт ВЦТ с пропускной способностью 8448 кбит/с. Основным оборудованием ИКМ-120 является оборудование вторичного временного группообразования ВВГ, в котором, как и на последующих ступенях ПЦИ, используется посимвольный метод объединения цифровых сигналов.

Третичные ЦСП рассчитаны на объединение сигналов четырех вторичных систем и, в случае использования стандартного ИКМ-преобразования, на первой ступени иерархии могут обеспечить передачу до 480 телефонных каналов. Пропускная способность третичного тракта ТЦТ 34 368 кбит/с, который формируется в оборудовании третичного временного группообразования (ТВГ).

Четверичные ЦСП, объединяющие сигналы четырех третичных систем, позволяют организовать 1920 телефонных каналов. В четверичном цифровом тракте, формируемом в ЧВГ, с пропускной способностью 139 264 кбит/с можно обеспечить высококачественную передачу телевизионных сигналов и сигналов других широкополосных систем.

Представляет интерес сравнение действующих в настоящее время уровней плезиохронных цифровых иерархий в Европе и Северной Америке (табл. 1).

Дальнейшим объединением цифровых потоков четырех систем передачи можно получить более мощные пятеричные, шестеричные цифровые системы передачи. Пятеричные системы со скоростью передачи 565 Мбит/с использовались на ряде магистральных волоконно-оптических линий связи за рубежом. Однако они не нашли широкого применения, так как не выдержали конкуренции с новыми принципами организации цифровых систем передачи информации — синхронной цифровой иерархии.

Потребности существенного увеличения объемов, надежности и экономичности передачи цифровой информации предопределили дальнейшие поиски в области разработки ЦСП. Семейство оборудования, разработанное на принципах синхронной цифровой иерархии, явилось качественно новым этапом развития техники систем передачи.

Таблица 1

Системы

Уровень

иерархии

Скорость

передачи,

Мбит/с

Кратность

Европейская

Первичный

Вторичный

Третичный

Четверичный

2048

8448

34 368

139 264

4

4

4

-

Североамериканская

Первичный

Вторичный

Третичный

Четверичный

1544

6312

44 736

274 176

4

7

6

-

Концепция СЦИ позволяет оптимальным образом сочетать процессы высококачественной передачи больших объемов цифровой информации с процессами автоматизированного управления, контроля и обслуживания сети в рамках единой системы.

Появление следующего этапа в создании ЦСП во многом было обусловлено освоением современных волоконно-оптических кабелей (ВОК), скорость передачи цифрового сигнала в которых может достигать нескольких десятков гигабайт в секунду. Так, например, один из первых стандартов СЦИ, разработанный в США, где впервые появились системы синхронной иерархии, назывался SONЕТ (Synchronous Optical NETwork), в названии которого определялся тип используемого линейного тракта. МККТТ принял стандарт сравнительно недавно, в 1988 г. Однако к настоящему времени такие системы выпускаются и используются на сетях практически всех стран мира, имеющих развитые цифровые сети.

МККТТ принял целый комплекс рекомендаций, в которых излагается концепция СЦИ, они продолжают корректироваться и дополняться в рамках работы МСЭ-Т. Эти рекомендации описывают сетевые параметры и структуры, принципы построения оборудования, а также автоматизации контроля, управления и обслуживания.

Синхронная цифровая иерархия определяется как набор цифровых структур, стандартизированных с целью транспортирования определенных объемов информации, и реализуется как комплексный процесс переноса информации, включая функции контроля и управления. СЦИ рассчитана на транспортирование как сигналов действующих цифровых иерархий, которые организуются по уровням, приведенным в табл. 1 (кроме пятеричного), так и широкополосных сигналов, связанных с внедрением на цифровой сети новых услуг связи.

Как и в ПЦИ на каждом уровне СЦИ стандартизированы скорости передачи группового сигнала и структуры циклов.

Важнейшими принципами, принятыми в СЦИ, являются: синхронное мультиплексирование; контейнеризация процесса переноса информации; объединение (интеграция) функций передачи, оперативного управления и обслуживания.

В оборудовании ПЦИ на каждом уровне мультиплексирования выравниваются скорости объединяемых цифровых потоков, что связано с необходимостью постоянного отслеживания разности скоростей, передачи в линейном сигнале специальных команд их согласования, обработки этих команд и восстановления исходной тактовой частоты сигналов на каждом уровне иерархии. Скорости передачи на каждом следующим уровне ПЦИ не кратны, прежде всего из-за добавления служебных сигналов, связанных с этой обработкой. С другой стороны, такой алгоритм работы оборудования ПЦИ снижает требования к стабильности частоты генераторов мультиплексорного оборудования. При величине нестабильности порядка 10-5 обеспечивается нормированное качество передачи цифровых сигналов в каналах и трактах оборудования ПЦИ без принудительной внешней синхронизации.

При синхронном мультиплексировании в согласовании скоростей нет необходимости. Однако резко возрастают требования к системе тактовой синхронизации взаимоувязанного оборудования и, когда речь идет о создании сетей СЦИ, необходимо организовать систему сетевой тактовой синхронизации, тактовая частота в которой должна иметь нестабильность не хуже 10-11.

В СЦИ стандартизовано три уровня, скорости передачи которых относятся как 1:4:16. Номера n-уровней совпадают с этими числами: первый уровень имеет скорость передачи 155 520 кбит/с (сокращенно 155 Мбит/с), четвертый - 622 080 кбит/с (620 Мбит/с), а шестнадцатый - 2 488 320 кбит/с (2,5 Гбит/с).

Фирмы-производители аппаратуры заявили о выпуске оборудования следующего уровня со скоростью передачи сигнала 2 488 320х4=9 953 280 кбит/с (10 Гбит/с).

Еще одним отличием оборудования ПЦИ от СЦИ является то, что для получения сигнала N-го уровня иерархии в ПЦИ объединяются посимвольные цифровые сигналы, а в СЦИ производится мультиплексирование по байтам. Таким образом, для получения сигнала четвертого уровня побайтно объединяются N синхронных цифровых потоков первого уровня.

Простота операции синхронного мультиплексирования способствует повышению надежности, что особо важно в аппаратуре, обслуживающей большие информационные потоки.

Для переноса информации в СЦИ используются синхронные транспортные модули (Synchronous Transport Module, STM-N), которые представляют собой формат сигналов линейных трактов СЦИ с циклической структурой с периодом повторения 125 мкс. Основной модуль SТМ—1. Модули высших уровней SТМ-4 и SТМ-16.

Синхронная цифровая иерархия не получила бы столь быстрого и успешного распространения по всему миру, если бы не был решен вопрос о ее взаимодействии с действующими цифровыми сетями, основанными на оборудовании ПЦИ. В оборудовании СЦИ возможен асинхронный ввод сигналов ПЦИ на различных уровнях. Если тактовые частоты сигналов ПЦИ и оборудования СЦИ различны, то производится согласование скоростей, аналогичное применяемому, в мультиплексорах ПЦИ.

Асинхронное размещение обеспечивает прозрачность среды СЦИ для транспортирования потоков ПЦИ любой структуры. Такое размещение является основным для взаимодействия с сетями ПЦИ и его применение не имеет ограничений.

Сети и аппаратура ПЦИ узко специализированы по виду цифровых сигналов (скоростям передачи, строению циклов и пр.). Как отмечалось выше, эти параметры различаются в действующих ПЦИ (североамериканской, европейской и японской), что естественно осложняет передачу информации в международных трактах и внедрение широкополосных услуг связи.

В целях унификации транспортировки информации между различными местными региональными и международными сетями в СЦИ используется принцип контейнерных перевозок. Для передачи информации организуются так называемые виртуальные контейнеры — цифровые структуры, которые входят в состав вышеупомянутых синхронных транспортных модулей.

В узлах сети происходит обмен виртуальными контейнерами между модулями SТМ. Сетевые операции с виртуальными контейнерами выполняются независимо от их содержимого. В контейнеры можно загружать сигналы любой ПЦИ, а также цифровые сигналы других видов, например, потоки цифровых ячеек АТМ.

Виртуальные контейнеры обозначаются английской аббревиатурой VС-n, где n указывает ранг контейнера. В последней строке табл. 2 указаны (округленно, в Мбит/с) их "емкости VС" (скорости передачи). Можно сравнить их со скоростями передачи сигналов ПЦИ, которые размещаются в соответствующих контейнерах (первая строка таблицы).

Емкость контейнеров УС превышает полезную нагрузку исходных сигналов, так как в процессе образования контейнеров к полезной нагрузке добавляется служебная информация.

Каждый VС-n состоит из поля нагрузки (контейнер С-n); трактового заголовка (Path OverHead, РОН).

Трактовый заголовок несет сигналы контроля и управления данного тракта. Он создается и ликвидируется в пунктах, в которых формируется и расформировывается VС-n, проходя транзитом оборудование, где не требуется обработка данного сигнала.

Следует отметить, что контейнеризация не решает проблем взаимодействия сетей разных иерархий ПЦИ, так как после доставки на место и выгрузки из контейнеров сигналы обретают исходную форму. Современные пользователи сетей связи предъявляют высокие требования к надежности и достоверности связи и гибкости обслуживания (например, оперативное предоставление каналов различной пропускной способности между разными пунктами сети с оплатой в соответствии со временем и качеством связи и пропускной способностью канала).

В сетях ПЦИ для повышения уровня обслуживания пользователей и удешевления эксплуатации на сети приходится создавать специальные системы контроля, управления и эксплуатации со своими каналами связи, так как служебные каналы, предусмотренные в рамках циклов или цифровых линейных сигналов ПЦИ, имеют недостаточную пропускную способность.

Системы СЦИ создавались для волоконных линий связи, где увеличение скорости передачи линейного сигнала для передачи дополнительной служебной информации не влияет на качественные характеристики линейного тракта, так как пропускная способность волокон неизмеримо выше медных линий, для которых в свое время разрабатывались системы ПЦИ.
Таблица 2 ^ Скорость сигналов ПЦИ
Мбит/с

1,5

1,5 и 2

6

34 и 45

140

Обозначение контейнера

VС-n

VС-11

VС-12

VС-2

VС-3

VС-4

Емкость контейнера

Мбит/с

1,7

2,3

6,9

50

150

Необходимые сигналы и каналы передачи служебной информации системы контроля и управления предусмотрены в циклах SТМ — N. Каждый SТМ имеет специальный заголовок, содержащий контрольную и управляющую информацию по линейному тракту и транспортному модулю в целом, а также по управлению оперативным сетевым переключением на уровне SТМ — N. В сочетании с информацией, содержащейся в заголовках VC-n, — это обеспечивает полный контроль качества передачи и управление сетью СЦИ.

Основным типом аппаратуры СЦИ можно считать так называемый универсальный синхронный мультиплексор (УСМ), выполняющий все функции сетевого узла сети: ввод/вывод потоков нагрузки; мультиплексирование их до уровня транспортных модулей и обратно; оперативное переключение потоков внутри и между транспортными модулями; прием/передачу линейных сигналов с разных направлений; конфигурирование УСМ в заданном для данного узла (станции) режиме; контроль качества передачи.

Мультиплексоры СЦИ могут работать при различной организации линии передачи: передача цифровых сигналов между оконечными станциями, цифровых сигналов между оконечными станциями с выделением каналов на промежуточных станциях. Однако наибольшее распространение получили кольцевые структуры с защитным переключением каналов и трактов в случае повреждения кабельных линий или выхода из строя оборудования.

Конфигурирование, оперативное изменение режима, переключение потоков нагрузки и резервирование производятся на программном уровне с местного терминала (РС, ноутбук) или из центра системы контроля и управления. Аварийные переключения — автоматически по заданной программе.

В заключение не будем еще раз перечислять все преимущества систем передачи синхронной цифровой иерархии. Отметим только, что это очередной этап развития и совершенствования оборудования первичных сетей связи, обусловленный, прежде всего, двумя факторами — освоением производства волоконно-оптических кабелей и бурным развитием компьютерных технологий. СЦИ предназначена для транспортирования больших объемов информации с использованием минимума оборудования. Она обеспечивает гибкость организации надежных и живучих сетевых структур с ответвлениями и выделением цифровых потоков на промежуточных станциях, с автоматическими переключениями, резервированием и автоматизацией процессов контроля и управления сетью.

Благодаря своим преимуществам системы передачи СЦИ быстро завоевали свое место на сетях связи всего мира. Прежде всего, это магистральные и региональные линии связи. Наличие стандартных интерфейсов действующих иерархий ПЦИ позволяет встраивать оборудование СЦИ в существующие цифровые сети, в максимальной степени обеспечивая использование уже работающей на сети аппаратуры. Последние разработки в области систем СЦИ, направленные на повышение пропускной способности и расширение функциональности, позволяют строить разветвленные сети.